从笔记本电脑到电动汽车，锂离子电池为日常生活提供动力。然而，随着对更耐用设备的需求威胁到超过锂离子电池提供的能量，研究人员正在寻找更强大的电池。

据外媒报道，由普林斯顿大学（Princeton University）机械和航空航天工程副教授、Andlinger能源与环境中心的Kelsey Hatzell领导的团队发现了一些新见解，可以帮助为一种名为无阳极固态电池的新型电池供电，突破锂离子电池的限制。

图片来源：普林斯顿大学

通过了解这些先进的固态电池在不同条件下如何运行和失效，Hatzell的研究为提高其性能和可制造性提供了参考，帮助它们从实验室走向现实世界，支持清洁能源转型。

“如果我们能够成功推出这些新兴电池，我们就可以获得传统电池无法实现的能量密度，”Hatzell表示。“这意味着笔记本电脑和手机充电后可以使用更长时间。新电池可以使电动汽车充电后行驶超过500英里，甚至可以实现今天看似不可能实现的壮举，比如电气化航空。”

这些论文源于Hatzell担任固体离子导体机械化学理解（Mechano-Chemical Understanding of Solid Ion Conductors，MUSIC）制造负责人的经历，这是一个能源研究前沿中心（Energy Research Frontier Center），其成员正在解锁推进电化学储能系统发展的基本见解。

“固态电池可以彻底改变储能技术，但一个重大挑战是开发一种大规模生产固态电池的工艺，”储能专家、MUSIC主任兼加州大学圣巴巴拉分校（University of California-Santa Barbara）材料与机械工程教授Jeff Sakamoto表示。“Hatzell的工作在改进固态制造工艺方面发挥着重要作用，她在MUSIC的工作是综合研究方法如何帮助克服复杂、多学科挑战的一个例子。”

电池：揭开外壳一探究竟

传统上，电池有两个电极——一个正极（通常称为阴极），一个负极（阳极）。每个电极都与一个薄金属箔配对，称为集电器，用于将电池连接到外部电路，两个电极通过电解质相互隔开。

两个电极之间的离子运动为电池提供动力。当电池充电时，离子从正极流过电解质，流向负极。当电池放电时，离子流会改变方向。

与常见的锂离子电池相比，Hatzel及其团队研究的电池在两个基本层面上有所不同。

首先，锂离子电池中的电解质是液体，而固态电池中的电解质——顾名思义——是固体。区别很大。固态电池可以在比锂离子电池更小的空间内存储更多能量，为电动汽车更长的行驶里程打开了大门。它们还可以在更广泛的温度范围内高性能运行，并且比锂离子电池具有更高的耐用性。

其次，Hatzell研究的电池是“无阳极”的，这意味着阳极已被移除。相反，离子从正极直接流向电池另一端的集电器。然后，离子镀在集电器本身上，在电池充电时形成一层薄薄的金属层。

与标准固态电池相比，移除阳极使电池更便宜，甚至更紧凑。同时，与标准固态电池相比，无阳极固态电池避免了部署的主要瓶颈，因为大多数固态电池中的阳极是锂金属箔，需要专门的制造方法。

“如果能组装一块不使用锂金属阳极的电池，那么将在利用现有制造工艺的同时大幅降低成本，”Hatzell表示。“如果你想在电池市场上占有一席之地，这两个优势都是关键。”

压力下破裂

虽然这些下一代电池在纸面上看起来不错，但在实践中却面临许多挑战。其中最重要的是确保固体电解质和集电器之间有良好的接触。这确保了当离子穿过电解质时，它们在电池充电时均匀地沉积在集电器上，并在电池放电时均匀地从集电器上剥离。

在2月22日发表在期刊《ACS Energy Letters》的一篇论文中，Hatzell和第一作者Se Hwan Park（博士后研究员）探讨了施加在电池上的压力等因素如何影响电解质和集电器之间的接触。

“在充电和放电过程中，电池会发生电化学反应。通过施加外部压力，我们还会引入机械力，”Park表示。“这是一个非常复杂的系统，有许多相互作用的力。”

与传统电池中容易变形的液体电解质不同，固体电解质是刚性的。因此，固态电池中电解质或集电器表面的任何缺陷或不规则都会对两个组件之间的接触质量产生负面影响。

研究小组发现，对系统施加低压不足以改善由这些表面不规则引起的不均匀接触，导致在电池充电和放电时，集电器上的离子镀层和剥离不均匀。接触良好的区域成为热点，而接触不良的区域形成空隙。最终，镀层不均匀导致形成尖锐的金属细丝，这些细丝就像细小的针一样，可以刺穿固体电解质并导致电池短路。

在高压下，研究人员遇到了不同的问题。虽然他们发现更高的压力有利于更好的接触和更均匀的镀层和剥离，但高压将电解质和集电器紧紧地压在一起，以至于两者上的任何缺陷都会被放大，直到机械应力导致裂缝形成。

因此，低压和高压都会导致电池失效，但原因不同——电解质和集电器之间的接触太少或太多。Hatzell称，这两种故障模式都为制造和操作无阳极固态电池的最佳方法提供了新的见解。

“这一领域的终极目标是弄清楚如何在低压下保持固体接触，因为制造无缺陷的电解质实际上是不可能的，”Hatzell表示。“如果我们想发挥这些电池的潜力，就必须解决接触问题。”

一线希望

虽然研究结果强调了电解质和集电器之间均匀接触的重要性，但Hatzell团队于2024年12月19日发表在《Advanced Energy Materials》上的第二篇论文研究了实现这种接触的方法。

在这篇论文中，研究人员证明，通过在集电器和电解质之间涂上一层薄涂层以促进更好的离子传输，可以实现更均匀的离子镀层和剥离。

在此项工作中，研究人员测试了几种这种涂层（称为中间层），以研究它们的结构和成分如何影响电池充电时离子的沉积方式。

与之前的研究一致，该团队发现由碳和银纳米颗粒制成的中间层最能实现均匀的金属沉积。这些中间层中的银在电池充电和放电过程中与离子形成合金，从而能够均匀地从集电器上镀层和剥离。

然而，研究小组发现银纳米粒子的尺寸很重要。含有较大（200纳米）银粒子的夹层在集电器上形成了细长、不均匀的金属结构。这些线状结构使电池的耐用性降低，导致容量降低，并最终在几次充电周期内导致电池故障。

含有较小（50纳米）银粒子的夹层支持更致密、更均匀的结构，从而使电池具有更高的稳定性和更高的功率输出。

“只有少数几个研究小组研究了这些夹层中发生的实际过程，”Park表示。“除其他发现外，我们还证明了这些系统的稳定性与金属从集电器上镀层和剥离时的形态有关。”

Park解释说，差异归结于合金化过程，该过程导致夹层中的银粒子膨胀。这种膨胀会导致局部应力，从而改变夹层的结构，形成和扩大阻碍离子流动的孔隙。当纳米粒子较小且分散性更好时，应力在夹层中的分布更均匀。

“这些发现可以为制造这些中间层的策略提供参考，”Park说道。“通过减小银粒子的尺寸，我们可以确保只利用中间层中的银的优势，这反过来又可以让我们即使在低压下也能实现良好的接触和均匀的电镀。”

冲向未来

除了Park所在团队的实验工作外，Hatzell和几位MUSIC合作者在1月2日发表于期刊《Nature Materials》的一篇论文中回顾了无阳极固态电池的现状，总结了最近的进展并指出了尚未解决的研究空白。

Park和Hatzell一致认为，电池研究中最大的空白之一是证明实验室中成功的技术是否可以扩展并纳入现有的电池制造供应链。

多年来，固态电池一直被誉为未来的能源存储方式。Hatzell表示，中国、日本和韩国等国家目前都有将固态电池推向市场的近期计划。例如，三星已承诺到2027年开始量产固态电池，丰田的量产目标是2030年。

“挑战在于在短短几年内从研究走向现实世界，”Hatzell表示。“希望我们现在在MUSIC所做的工作能够为这些下一代电池的大规模开发和部署奠定基础。”