固態電池在很小的空間內儲存了大量的能量，但它們的電極并不擅長與電解質保持聯系。液體電解質到達電極的每一個角落和縫隙以激發能量，但液體占用空間卻不能儲存能量，而且隨著時間的推移會失效。研究人員現在正在將固體電解質與由戰略安排的材料制成的電極在原子水平上進行接觸，其結果有助于推動更好的固態電池技術。

伊利諾伊大學香檳分校(UniversityofIllinoisUrbana-Champaign)材料科學與工程教授保羅·布勞恩(PaulBraun)、博士后研究助理貝尼亞明·扎赫里(BeniaminZahiri)和Xerion先進電池公司(XerionAdvancedBatteryCorp.)研發總監約翰·庫克(JohnCook)領導了一項新研究。演示如何控制固體材料的原子排列可以改善陰極-固體電解質界面和固體電池的穩定性。研究結果發表在《自然材料》雜志上。

Zahiri說：“對于電池來說，重要的不僅僅是材料，還有這些材料表面原子的排列方式，目前，固態電池電極包含的材料表面原子排列的多樣性很大。這導致了看似無限數量的電極-固體電解質接觸界面的可能性，所有的化學反應活性水平不同，我們感興趣的是找出哪種安排能實際改善電池循環壽命、能量密度和功率。”

研究人員表示，電解質的穩定性控制著電池在開始斷電前的充放電循環次數。正因為如此，科學家們競相尋找最穩定的電解質材料。

Zahiri說:“在急于尋找穩定的固體電解質材料的過程中，開發人員似乎忽視了電解質和電極之間非常薄的界面發生的事情的重要性，但是如果電解質和電極之間的連接不能以一種有效的方式進行評估，那么電解質的穩定性就無關緊要。”

在實驗室中，該團隊構建了具有特定原子排列的鈉離子和鋰離子電極。他們發現鋰基和鈉基固態電池的電池性能和界面原子排列之間存在相關性。他們還發現，最小化界面表面積和控制電極原子排列是理解界面不穩定性本質和提高電池性能的關鍵。

庫克說：“這是一個新的范例，如何評估所有重要的固體電解質目前可用，在此之前，我們很大程度上只是猜測什么電極-固體電解質界面結構能提供最好的性能，但現在我們可以對此進行測試，并找到材料和原子取向的最佳組合。”

正如合著者機械科學與工程教授ElifErtekin和她的團隊所證明的那樣，擁有這種水平的控制給研究人員提供了運行原子模擬所需的信息，他們假設這將導致未來更好的電解質材料，研究人員說。

布勞恩說：“我們認為這將教會我們很多關于如何研究新興的固體電子學，我們不是要發明新的固體電解質，物質世界已經在這方面做得很好了，我們的方法將允許其他人精確測量他們的新材料的界面屬性，這是一些很難確定的東西。”