随着研究人员不断突破电池设计的界限，寻求在给定的空间或重量中装入更多的功率和能量，正在研究的比较有前途的技术之一是锂离子电池，它在两个电极之间使用固体电解质材料，而不是典型的液体。
但这种电池一直受到一种趋势的困扰，即在其中一个电极上形成树枝状的金属突起，最终连接电解质，使电池短路。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员已经找到了一种阻止这种树突形成的方法，这可能会释放这种新型高能电池的潜力。
这项研究结果发表在《自然能源》杂志上，由麻省理工学院研究生理查德·帕克、蒋慧明教授和克雷格·卡特教授，以及麻省理工学院、德克萨斯农工大学、布朗大学和卡内基梅隆大学的其他七人共同完成。
蒋解释说，固态电池是一项长期寻求的技术，有两个原因:安全性和能量密度。但是，他说，“要达到这种有趣的能量密度，唯一的方法是使用金属电极。”他说，虽然可以将金属电极与液体电解质结合，仍然可以获得良好的能量密度，但这不能提供与固体电解质相同的安全优势。
他说，固态电池只有在金属电极上才有意义，但开发这种电池的尝试一直受到树突生长的阻碍，树突最终会连接两个电极板之间的间隙，导致电路短路，削弱或使电池中的细胞失去活性。
我们已经知道，当电流较高时，树突形成得更快，这通常是为了快速充电所需要的。到目前为止，在实验固态电池中所获得的电流密度远远低于实际商业可充电电池所需要的电流密度。但蒋说，这个前景值得追求，因为这种电池的实验版本可以存储的能量已经是传统锂离子电池的两倍。
该团队通过在固态和液态之间做出妥协，解决了树突的问题。他们制作了一个半固态电极，与固态电解质材料接触。半固态电极在界面上提供了一种自愈合的表面，而不是固体的脆性表面，后者可能导致微小的裂纹，为树晶形成提供最初的种子。
这个想法是受到实验性高温电池的启发，这种电池的一个或两个电极都由熔化的金属组成。根据该论文的第一作者Park的说法，几百度的熔融金属电池不可能用于便携式设备，但这项工作确实证明了液体界面可以实现高电流密度，而不会形成枝晶。Park说:“我们的动机是开发基于精心挑选的合金的电极，以便引入一种可以作为金属电极自愈元件的液相。”
他解释说，这种材料的固体性比液体性强，但与牙医用来填充龋齿的汞齐合金相似，但仍然可以流动并形成形状。在电池正常工作的温度下，“它会处于一种同时存在固相和液相的状态，”在这种情况下，固相是由钠和钾的混合物组成的。蒋说，研究小组证明，在20倍于使用固体锂的电流下运行该系统是可能的，而不会形成任何树突。下一步是用一个实际的含锂电极来复制这种性能。
在第二个版本的固态电池中，该团队在固态锂电极和固态电解质之间引入了一层非常薄的液态钠钾合金。他们表明，这种方法也可以克服树突问题，为进一步研究提供了另一种方法。
蒋说，这种新方法可以很容易地应用到许多不同版本的固态锂电池上，目前世界各地的研究人员正在研究这种电池。他说，该团队的下一步将是展示该系统在各种电池架构中的适用性。合著者维斯瓦纳坦是卡内基梅隆大学机械工程教授，他说:“我们认为我们可以将这种方法转化为任何固态锂离子电池。我们认为它可以立即应用于电池开发，广泛应用于手持设备、电动汽车和电动等领域。”