密歇根大学开发的可充电电池技术可以使今天的锂离子电池的产量增加一倍——大大延长电动汽车的电池寿命和手机的充电时间——而不占用任何额外的空间。
通过使用陶瓷固体电解质，工程师可以利用锂金属电池的动力，而没有耐用性差和短路的历史问题。其结果是一个可能成为下一代可充电电池的路线图。
负责这项工作的密歇根大学机械工程副教授Jeff Sakamoto说：“这可能会改变游戏规则，改变电池的工作方式。”。
在20世纪80年代，使用液体电解质的可充电锂金属电池被认为是下一个重要的东西，它在早期的便携式电话中渗透到市场中。但它们在充电过程中的燃烧倾向导致工程师们朝着不同的方向前进。穿梭于电极之间的锂原子往往会在电极表面形成树枝状晶体，最终使电池短路并点燃可燃电解质。
锂离子电池——一种更稳定但能量密度更低的技术——于1991年推出，并迅速成为新的标准。这些电池使用石墨阳极代替锂金属。石墨阳极吸收锂，防止枝晶形成，但也带来性能成本：
石墨每6个碳原子只能容纳一个锂离子，使其具有约350 mAh/g的比容量。固态电池中的锂金属具有3800 mAh/g的比容量.
目前锂离子电池在电池层面的总能量密度约为600瓦时每瓦(Wh/L)。原则上，固态电池可以达到1200 Wh/l .
为了解决锂金属的燃烧问题，um工程师创造了一种表面稳定的陶瓷层——防止枝晶形成和着火。它使电池能够利用锂金属的优势-能量密度和高导电性-不会着火或随时间退化。
“我们提出的是一种不同的方法——使用陶瓷来物理稳定锂金属的表面，”坂本说。“它不可燃。我们在空气中的温度超过1800华氏度。它没有液体，通常会燃烧你看到的电池火焰。
"你摆脱了燃料，你摆脱了燃烧."
在早期的固体电解质测试中，锂金属在低充电速率下穿过陶瓷电解质生长，导致短路，这与液体电池中的情况非常相似。密歇根大学的研究人员通过化学和机械处理解决了这个问题，这些处理为锂提供了均匀的原始表面，并有效地抑制了枝晶或细丝的形成。坂本表示，这样不仅可以提高安全性，还可以显著提高充电率。
“到目前为止，锂电池的制造速度意味着你需要给锂金属汽车电池充电20到50小时(满电)，”坂本说。“通过这一突破，我们证明了我们可以在3小时或更短时间内为电池充电。
“相比之前报道的固态锂金属电池，我们所说的充电速度提高了10倍。我们目前的充电速度与锂离子电池相当，但还有其他优势。”
充电/充电过程必然导致锂离子电池的最终死亡。阴极和阳极之间离子的反复交换将立即产生可见的降解。
然而，当测试陶瓷电解质时，在长期循环后没有观察到明显的退化，内森泰勒说，他是密歇根大学机械工程博士后研究员。
“我们做了22天同样的测试，”他说。“电池在开始和结束时是一样的。我们没有看到任何退化。这么长时间以来，我们还没有发现任何其他表现良好的块状固体电解质。”
大块固体电解质使得电池可以直接替代现有的锂离子电池，并且可以利用现有的电池制造技术。随着材料性能的验证，研究团队已经开始生产满足固体容量目标所需的薄固体电解质层。
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