近日，美國康奈爾大學(xué)的一項新研究推進了固態(tài)電池的設(shè)計。研究人員從液態(tài)電解質(zhì)入手，然后將其轉(zhuǎn)化為電化學(xué)池內(nèi)部的固態(tài)聚合物。他們綜合利用了液態(tài)與固態(tài)特性的優(yōu)勢，突破了目前電池設(shè)計中的關(guān)鍵限制。

電池，幾乎在我們身邊無處不在，從智能手機到電動汽車再到無人機，目前大多數(shù)產(chǎn)品都是依靠電池來提供能量的。對于電池，我們一般會有以下這些希望：能為產(chǎn)品及時地提供能量；可快速充電；一次充電可以維持盡可能長時間的使用；不會突然失效或者起火。

近年來，媒體報道了多起有關(guān)鋰離子電池燃燒與爆炸的安全事故，例如三星手機爆炸、特斯拉電動汽車自燃、鋰電池工廠起火等。這些安全事故引發(fā)了人們對于鋰電池安全性的憂慮和關(guān)注。

網(wǎng)友展示的三星note7手機充電時發(fā)生爆炸的圖片（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

那么，是什么原因?qū)е落囯x子電池燃燒的呢？目前，業(yè)界普遍認(rèn)為鋰電池的燃燒與高度易燃的電解液相關(guān)。這種易燃性電解液本身包含著固有的安全隱患，這是阻礙鋰離子電池進一步發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸。

隨著如今人們對于電動汽車的興趣不斷增長，研究人員和業(yè)內(nèi)人士都在尋求改善充電電池技術(shù)，使之能為普通汽車、無人駕駛車輛、機器人和其他新一代設(shè)備安全可靠地提供能量。

固態(tài)電池，就是這樣一種新興技術(shù)。它具有成本低、安全性高、壽命長、能量密度高、充電速度快等優(yōu)勢。在固態(tài)電池中，所有的電極以及電解質(zhì)都是由固態(tài)物質(zhì)制成。固態(tài)電極，即使被加熱到很高溫度，或者暴露在空氣中，也不會著火。

創(chuàng)新

近日，美國康奈爾大學(xué)的一項新研究推進了固態(tài)電池的設(shè)計。研究人員從液態(tài)電解質(zhì)入手，然后將其轉(zhuǎn)化為電化學(xué)池內(nèi)部的固態(tài)聚合物。他們綜合利用了液態(tài)與固態(tài)特性的優(yōu)勢，突破了目前電池設(shè)計中的關(guān)鍵限制。相關(guān)論文于3月11日發(fā)表在《自然能源（NatureEnergy）》期刊上。

技術(shù)

這項研究的博士后研究員、論文領(lǐng)導(dǎo)作者QingZhao表示：”讓我們想象一個盛滿冰塊的玻璃杯，一些冰會與玻璃接觸，不過中間會有空隙。可是如果你將玻璃杯盛滿水并冷凍它，那么玻璃杯與冰塊之間的界面將被完全覆蓋，你在玻璃杯的固態(tài)表面與其內(nèi)含的液態(tài)之間建立起了一個強大的連接。同樣的概念應(yīng)用到電池中，可以提升離子從電池電極固態(tài)表面向電解質(zhì)轉(zhuǎn)移的遷移率，且這樣的操作無需可燃性液體。“

這項研究的關(guān)鍵在于，引入了能在電化學(xué)池中引起聚合作用又不會損害電池其他功能的特殊分子。如果電解質(zhì)是一種環(huán)醚，引發(fā)劑經(jīng)過設(shè)計后可用于拆開環(huán)，形成綁定在一起的活性單體鏈，從而創(chuàng)造出長鏈一般的分子，這些分子本質(zhì)上與醚具有相同的化學(xué)特性。這種固態(tài)的聚合物與金屬界面保持著緊密的結(jié)合，就像玻璃杯中的冰一樣。

價值

除了可以提高電池的安全性，固態(tài)電解質(zhì)還可以帶來新一代電池。這些電池利用金屬包括鋰和鋁作為陽極，實現(xiàn)比目前最先進的電池技術(shù)高得多的能量存儲。在這個背景下，固態(tài)電解質(zhì)能防止金屬形成枝晶。枝晶現(xiàn)象會引起電池短路，導(dǎo)致過熱和失效。

雖然認(rèn)識到了固態(tài)電池的優(yōu)勢，但是業(yè)界在嘗試大規(guī)模制造固態(tài)電池的時候遇到了挫折。制造成本高以及之前設(shè)計的界面特性差，都成為了顯著的技術(shù)障礙。固態(tài)系統(tǒng)也通過提供對于熱變化更高的穩(wěn)定性，從而避免了冷卻電池的需要。

論文高級作者、史密斯化學(xué)與生物分子工程學(xué)院的教授LyndenArcher表示：“我們的研究為創(chuàng)造具有一系列應(yīng)用的實用固態(tài)電池開辟了一條全新的途徑。”

據(jù)Archer稱，創(chuàng)造固態(tài)聚合物電解質(zhì)的這種新型原位策略，讓我們感到特別振奮，因為它有望帶來具有延長的循環(huán)壽命和再充電能力的高能量密度可充電金屬電池。

Archer表示：“我們的方案能使目前的鋰離子電池變得更安全，也為未來的電池技術(shù)提供了機遇。”