电池中的钟乳石和石笋：新研究揭示更持久的电池

它们被认为是电池研究的“圣杯”：所谓的“固态电池”。它们不再像今天的电池那样具有液芯，而是由固体材料组成。这带来了几个优点：除其他外，这些电池更难点燃，也可以微型制造。

马克斯普朗克聚合物研究所的科学家们现在已经将注意力转向了这种电池的生命周期以及减少它的有针对性的过程。有了他们的发现，未来可以实现更耐用的固态电池。

无论是电动汽车、手机还是无绳螺丝刀，现在每天使用的许多设备都使用可充电电池。然而，这种趋势也有其缺点。例如，某些手机被禁止携带上飞机，或者电动汽车着火。现代商用锂离子电池对机械应力很敏感。

所谓的“固态电池”可以提供补救措施。它们不再包含液核 - 所谓的电解质 - 而是完全由固体材料组成，例如陶瓷离子导体。因此，它们机械坚固、不易燃、易于小型化且对温度波动不敏感。

但固态电池在经过几次充放电循环后就显示出了它们的问题：虽然电池的正负极在开始时仍然在电上彼此分离，但它们最终通过电池内部过程相互电连接：“锂枝晶”在电池中缓慢生长。

这些锂枝晶在每个充电过程中逐步生长，直到两极连接。结果：电池短路并“死亡”。然而，到目前为止，在这个过程中发生的确切物理过程还没有得到很好的理解。

由Hans-Jürgen Butt部门的Rüdiger Berger领导的一个团队现在已经解决了这个问题，并使用了一种特殊的显微镜方法来更详细地研究这些过程。他们调查了锂枝晶从哪里开始生长的问题。是不是像在流石洞穴中，钟乳石从天花板上生长，石笋从地板上生长，直到它们在中间加入并形成所谓的“石笋”?

电池中没有顶部和底部，但是树突是从负极长到正极还是从正极长到负极?还是它们从两极平等地生长?还是电池中是否有特殊的地方导致成核，然后从那里生长树枝状生长?

Rüdiger Berger的团队特别研究了陶瓷固体电解质中所谓的“晶界”。这些边界是在固体层的生产过程中形成的：陶瓷晶体中的原子基本上是非常有规律地排列的。然而，由于晶体生长的微小随机波动，在原子不规则排列的地方形成了线状结构 - 所谓的“晶界”。

这些晶界通过其显微镜方法(“开尔文探针力显微镜”)可见，其中用锋利的尖端扫描表面。与Rüdiger Berger一起工作的博士生Chao Zhu说：“如果固态电池充电，开尔文探针力显微镜可以看到电子沿着晶界积累 - 特别是在负极附近。后者表明晶界不仅改变了陶瓷原子的排列，而且改变了它们的电子结构。

由于电子(即负粒子)的积累，在固体电解质中行进的带正电荷的锂离子可以还原成金属锂。结果：锂沉积物和锂枝晶形成。如果重复充电过程，枝晶将继续增长，直到最终连接电池的两极。树突生长的这种初始阶段的形成仅在负极观察到 - 也仅在该极观察到。在相反的正极没有观察到增长。

科学家们希望，通过对生长过程的精确理解，他们还将能够开发出有效的方法来防止或至少限制负极的增长，以便将来更安全的锂固态电池也可以用于宽带应用。

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