有一句古老的谚语：“在学会跑步之前，你必须学会走路。” 尽管有这样的智慧，但许多行业都会跳过基础知识并报名参加马拉松比赛，包括电池行业。
锂离子电池具有改善存储容量的巨大希望，但它们不稳定。我们都听过有关手机中锂离子电池的消息- 最引人注目的是三星Galaxy 7引起的手机着火。
大部分问题源于在电池内使用易燃液体电解质。一种方法是使用不可燃的固体电解质和锂金属电极。这将增加电池的能量，同时降低火灾的可能性。
从本质上讲，目的地正在构建下一代固态电池，这种电池不会出现繁荣。这个旅程是从根本上了解锂。
“每个人都在关注电池的储能元件，”密歇根理工大学材料科学与工程助理教授埃里克赫伯特说。“很少有研究小组对了解机械元素感兴趣。但是很少见，我们发现锂本身的机械性能可能是这个难题的关键部分。”
密歇根理工学院的研究人员在材料研究学会和剑桥大学出版社联合出版的材料研究杂志邀请的三篇论文系列中发表了今天的研究成果，为获得锂的基本知识做出了重要贡献。材料科学与工程教授Herbert和Stephen Hackney以及密歇根理工学院的研究生Violet Thole，橡树岭国家实验室的Nancy Dudney和国际粉末冶金与新材料高级研究中心的Sudharshan Phani分享了强调锂的机械性能在控制下一代电池的性能和安全性方面的重要性。
像冻融循环破坏混凝土一样，锂枝晶会破坏电池
锂是一种极易反应的金属，因此容易出现不良行为。但它也非常擅长储存能量。我们希望我们的手机(以及电脑，平板电脑和其他电子设备)能够尽快充电，因此电池制造商面临双重压力：制造充电速度非常快的电池，尽可能快地在阴极和阳极之间充电，以及尽管反复充电，仍可使电池可靠。
锂是一种非常软的金属，但在电池工作期间它的表现并不像预期的那样。在充电和放电电池期间不可避免地发生的安装压力导致称为树枝状晶体的微观指状物锂在锂阳极和固体电解质隔板之间的界面处填充预先存在且不可避免的微观缺陷 - 凹槽，孔隙和划痕。
在连续循环期间，这些枝晶可以强制进入并最终通过物理分离阳极和阴极的固体电解质层。一旦枝晶到达阴极，器件就会短路并发生故障，通常是灾难性的。Herbert和Hackney的研究重点是锂如何减轻固态电池充电和放电过程中自然产生的压力。
他们的工作记录了锂在亚微米长度范围内的显着行为 - 深入研究锂的最小和可能最令人讨厌的属性。通过用金刚石尖端探针压缩锂薄膜使金属变形，研究人员探索金属如何对压力作出反应。他们的研究结果证实了今年早些时候Cal Tech的研究人员报道的小尺度锂的意外高强度。
赫伯特和哈克尼在这项研究的基础上，提供了锂的惊人高强度的首次机械解释。
锂能够扩散或重新排列其自身的原子或离子，以减轻压头尖端施加的压力，研究人员向锂显示了锂变形速度的重要性(这与电池的充电和放电速度有关)，以及构成阳极的锂离子排列中的缺陷和偏差的影响。
深入了解锂的行为
在文章“高纯度气相沉积锂膜的纳米压痕：弹性模量”中，研究人员测量锂的弹性性质，以反映锂离子物理取向的变化。这些结果强调了将锂的取向依赖弹性特性纳入未来所有仿真工作的必要性。赫伯特和哈克尼还提供了实验证据，表明锂可能具有增强的将机械能转换成长度小于500纳米的热量的能力。
在接下来的文章中，“高纯度气相沉积锂膜的纳米压痕：扩散介导流动的机械合理化”，赫伯特和哈克尼证明锂的长度非常高，强度小于500纳米，它们提供了原始的框架，这旨在解释锂的压力控制能力是如何通过扩散和材料变形的速率来控制的。
最后，在“高纯度气相沉积锂膜的纳米压痕：从扩散到位错介导的流动的机械合理化”中，作者提供了一个统计模型，解释了锂经历突然转变的条件，进一步促进了减轻压力的能力。它们还提供了一种模型，可直接将锂的机械性能与电池的性能联系起来。
赫伯特说：“我们正在努力了解锂在长度范围内减轻与界面缺陷相当的压力的机制。” 提高我们对这一基本问题的理解将直接促进稳定界面的开发，从而促进安全，长期和高速循环性能。
赫伯特说：“我希望我们的工作对人们开发下一代存储设备的方向产生重大影响。”