大多數電池由稱為電極的兩個固體電化學活性層組成，由注入液體或凝膠電解質的聚合物膜隔開。但最近的研究探索了全固態電池的可能性，其中液體（和可能易燃的）電解質將被固體電解質取代，這可以提高電池的能量密度和安全性。

現在，麻省理工學院的一個團隊第一次探討了硫化物基固體電解質材料的機械性能，以確定其在加入電池時的機械性能。

鋰離子電池提供了輕量級的儲能解決方案，已經實現了許多當今的高科技設備，從智能手機到電動汽車。但是在這種電池中用固體電解質代替傳統的液體電解質可以具有顯著的優點。這種全固態鋰離子電池可以在電池組級別提供更高的能量存儲能力。它們實際上也可以消除被稱為枝晶的微小的指狀金屬凸起的風險，這些凸起可以通過電解質層生長并導致短路。

“具有全部組件的電池是性能和安全性的有吸引力的選擇，但仍存在一些挑戰，”研究人員說。在當今市場占主導地位的鋰離子電池中，鋰離子在電池充電時通過液體電解質從一個電極到達另一個電極，然后在使用時沿相反方向流過。這些電池非常有效，但“液體電解質往往是化學不穩定的，甚至可能是易燃的，”她說。“因此，如果電解質是固體，它可能更安全，更小更輕。”

但是，關于使用這種全固態電池的一個大問題是，當電極反復充電和放電時，電解質材料內可能會發生什么樣的機械應力。當鋰離子進出晶體結構時，這種循環導致電極膨脹和收縮。在剛性電解質中，這些尺寸變化會導致高應力。如果電解質也是脆性的，那么尺寸的不斷變化會導致裂縫迅速降低電池性能，并且甚至可能像液體電解質電池那樣提供破壞樹枝狀晶體形成的通道。但是如果材料能夠抵抗斷裂，那么這些應力可以在沒有快速開裂的情況下得到適應

然而，到目前為止，硫化物對普通實驗室空氣的極端敏感性對測量機械性能（包括其斷裂韌性）提出了挑戰。為了解決這個問題，研究小組的成員在礦物油浴中進行了機械測試，保護樣品免受與空氣或濕氣的任何化學相互作用。使用該技術，他們能夠獲得導電硫化物的機械性能的詳細測量結果，這被認為是全固態電池中電解質的有希望的候選者。

有很多不同的固體電解質候選者。其他研究小組已經研究過鋰離子傳導性氧化物的機械性能，但到目前為止，硫化物的研究還很少，盡管由于它們能夠容易且快速地傳導鋰離子，因此它們特別有前途。

以前的研究人員使用聲學測量技術，將聲波傳遞通過材料以探測其機械性能，但該方法無法量化抗斷裂性。但是這項新研究使用了一個精細探針來探測材料并監測其反應，更全面地展示了重要的特性，包括硬度，斷裂韌性和楊氏模量（材料拉伸能力的衡量標準）在施加的壓力下可逆地）。

研究小組已經測量了硫化物基固體電解質的彈性特性，但沒有測量斷裂特性。后者對于預測材料在電池應用中是否會破裂或破碎至關重要。

研究人員發現，該材料具有與膩子或鹽水太妃糖有些相似的特性：當受到應力時，它可以很容易變形，但在足夠高的應力下，它會像脆弱的玻璃一樣破裂。

通過詳細了解這些屬性，可以計算出材料在斷裂前能夠承受多大的壓力，并設計出考慮到這些信息的電池系統。

這種材料比電池使用的材料更脆，但只要其性能已知且系統設計相應，它仍有可能用于此類用途。“你必須圍繞這些知識進行設計。

最先進的鋰離子電池的循環壽命主要受限于液體電解質的化學/電化學穩定性以及它與電極的相互作用。然而，在固態電池中，機械降解可能會影響穩定性或耐久性。因此，了解固態電解質的機械性能非常重要。

與現有技術的石墨陽極相比，鋰金屬陽極的容量顯著增加。與[傳統]鋰離子技術相比，這可以轉化為能量密度增加約100％。