麻省理工學院（MIT）的科學家們近日公布了一項鋰金屬陽極技術，他們將金屬鋰置于蜂窩結構的MIEC管道中，并在金屬鋰之間留有空隙，從而釋放金屬鋰因充電膨脹帶來的應力，解決了固體電池研發(fā)中最關鍵的問題之一。 

一、固體電解質與金屬陽極的矛盾

金屬陽極的研究是開發(fā)安全的全固態(tài)電池的重要環(huán)節(jié)之一。通過這項新技術設計的固態(tài)電池，不需要使用常見的液體電解質或者聚合物凝膠電解質，是純固態(tài)的。

電解質使鋰離子在電池的充電和放電循環(huán)中可以來回運動，而全固態(tài)電解質比液態(tài)電解質要更加安全。液態(tài)電解質通常具有很強的揮發(fā)性，也是鋰電池在某些情況下發(fā)生爆炸的根源。

項目的主要負責人李博士說：“研究使用鋰金屬作為正極，并使用固體作為電解質的電池已經不是什么新鮮事，但是目前的許多研究都面臨一些問題。

最大的問題之一是，當電池充滿電時，原子會在鋰金屬內部積聚，從而使其膨脹。然后，隨著電池的使用，鋰金屬在放電過程中會再次收縮。鋰金屬尺寸的反復變化會使它難以與固體電解質保持恒定的接觸，并且還會導致固體電解質的破裂或分離。

另一個問題是，目前常見的固體電解質在與高反應性鋰金屬接觸時，化學穩(wěn)定性普遍不好，并且隨著時間的流逝，這些固體電解質還會趨于降解。

二、百億個“發(fā)動機活塞“組成的陽極

大部分科學家在解決上述這些問題時，都集中在設計對鋰金屬絕對穩(wěn)定的固體電解質材料上，事實證明這是非常困難的。

相反，李博士和他的團隊采用了一種不同的設計思路。他們利用了另外兩種固體：與鋰接觸后在化學上絕對穩(wěn)定的混合離子電子導體（MIEC）和電子鋰離子絕緣體（ELI）。

科學家們開發(fā)出了一種蜂窩狀六邊形MIEC管三維納米結構，該結構中的一部分管內被注入了固態(tài)鋰金屬以形成電池的陽極，但每根管內的固態(tài)金屬鋰之間都留有多余的空間。

當鋰在充電過程中膨脹時，它會像液體一樣流入管內部的空白空間里。這種流動是完全限制在蜂窩結構內部的，可以釋放由于充電引起的膨脹壓力，但又不會改變電極的外部尺寸。另一種材料ELI是MIEC管壁和固體電解質層之間的關鍵粘合劑。

李博士說，該蜂窩結構的每個管中的空隙都可以使金屬鋰“向后蠕變”進入管中，這樣一來，它就不會產生應力從而導致固體電解質破裂。

金屬鋰在管道中膨脹收縮，像外向內反復運動，就像汽缸內的汽車發(fā)動機活塞一樣。由于這些結構是按納米級尺寸建造的（管子的直徑約為100至300納米，高度為數(shù)十微米），所以整個結構系統(tǒng)就像是具有100億個活塞的發(fā)動機一樣�！�
三、手機三天充一次不是夢

李博士說，由于這些蜂窩狀結構的管道是由化學性非常穩(wěn)定的MIEC材料制成，所以金屬鋰會時刻保持與管壁的緊密接觸。也正因如此，整個固體電池在其使用周期中可以保持機械和化學上的雙重穩(wěn)定性。

他的團隊已通過實驗證明了這一點，被測試的原型電池經過100次充放電循環(huán)，也沒有產生任何固體破裂現(xiàn)象。

李說，目前大部分所謂的固態(tài)電池，使用的都是混合液態(tài)電解質和固態(tài)電解質材料，這些電池也可以很好的工作，但是我們這次設計的是純粹的固態(tài)的電池，沒有任何液體或凝膠。

在相同的存儲容量下，利用新技術設計的電池陽極可能僅為傳統(tǒng)陽極重量的四分之一。如果與當下研究的先進輕型陰極相結合，可能會大幅減少鋰電池的總重量。未來，手機每三天充一次電將成為可能。通過這項技術，科學家們可以顯著改善未來電池的壽命和能量密度。據(jù)項目主要負責人李博士（Ju Li）介紹，未來手機每三天充一次電將成為可能。