今天的鋰離子電池大多數都是從汽車到手機的一切電源，使用液體作為兩電極之間的電解質。而使用固體電解質可以為安全和儲能能力提供主要優勢，但嘗試這樣做卻面臨著意想不到的挑戰。
鋰離子電池
研究人員現在報告說，這個問題可能不正確地解釋了這種電池的故障。京都陶瓷教授麻省理工學院教授陳清明的文章“高能材料”雜誌報導了新的研究成果，為開發具有固體電解質的鋰電池開闢了新的途徑。 POSCO麻省理工學院材料科學與工程教授W. Craig Carter;還有八個。

電池中的電解質是正電極和負電極之間的材料 - 電池三明治中的一種填充。每當電池充電或排出時，離子（帶電荷的原子或分子）從一個電極交叉到另一個電極。

但是這些液體電解質可以是易燃的，並且它們對由這種電池引起的一些火災負責。它們也容易形成枝晶 - 從一個電極形成的薄的，手指狀的金屬突起，並且如果它們一直到達另一個電極，則可能產生可能損壞電池的短路。

研究人員試圖通過使用由固體材料製成的電解液來解決這些問題，例如一些陶瓷。這可以消除可燃性問題，並提供其他巨大的好處，但測試表明，這種材料往往表現不太穩定，更容易發生短路。

根據這項研究，這個問題是研究人員一直專注於尋找固體電解質材料的錯誤性質。普遍的想法是確定材料的堅固性或擠壓性（稱為剪切模量的性質）是否樹突可以滲透到電解質中。但是新的分析表明，這是最重要的表面光滑度。研究人員發現，電解液表面上的微觀刻痕和划痕可以為金屬沉積物開闢一條路。

這表明，Chiang說，只要注重實現更光滑的表面，就可以消除或大大減少固體電解質電池中枝晶形成的問題。除了避免與液體電解質相關的可燃性問題之外，這種方法也可以使用固體鋰金屬電極。這樣做可能會使鋰離子電池的能源容量增加一倍 - 即其能夠為給定的重量存儲能量，這對於車輛和便攜式設備至關重要。

Chiang解釋說：“形成枝晶，導致最終的短路故障，是鋰金屬可再充電電池無法實現的主要原因。 （鋰金屬電極通常用於不可充電電池，但這是因為在充電過程中僅形成枝晶。）

Chiang說，鋰可充電電池中枝晶形成的問題首次得到公認，45年後，這個問題還沒有得到解決，但目標仍然是誘人的，因為電池的容量有可能翻番通過使用鋰金屬電極。

在過去幾年中，許多團體一直在嘗試開發固體電解質作為使用鋰金屬電極的方式。Chiang說，有兩種主要的類型，磷化鋰和金屬氧化物。在所有這些研究工作中，普遍的想法之一是材料需要堅硬，沒有彈性。但這些材料往往在實驗室測試中顯示出不一致和混亂的結果。

Chiang說，這個想法是有道理的，更硬的材料應該更能抵抗試圖壓在其表面上的東西。但是新的工作，其中團隊測試了四種不同品種的潛在固體電解質材料的樣品，並觀察了充電和放電循環中如何進行的細節，表明樹枝實際上形成硬質固體材料的方式遵循完全不同的過程比在液態電解質中形成的那些。

在固體表面上，來自一個電極的鋰開始通過電化學反應沉積到電解質表面上存在的任何微小的缺陷，包括微小的凹坑，裂縫和划痕。一旦初始沉積物形成這樣的缺陷，它將繼續構建 - 並且令人驚訝的是，堆積從枝晶尖端延伸而不是從其底部延伸，因為它迫使其進入固體，像楔形一樣起作用開闢了更廣闊的裂縫。

這些材料“對錶面缺陷的數量和尺寸非常敏感, Chiang說：“這不是材料的散裝性能，”這是破裂傳播導致失敗的原因。 ...它告訴我們，我們應該關注更多的是表面的質量，我們可以如何平滑和無缺陷地製造這些固體電解質膜。