固態電池最大問題或終於解決

與在兩個固態電極之間使用液態電解質的鋰離子電池不同，固態電池以固態電解質取代液體。這種設計具有多種潛在優勢，包括更高的能量密度、更高的安全性和更長的電池壽命。但一個頑固的問題減緩了商業應用的速度。在充電過程中，稱為枝晶的小樹狀結構會從鋰陽極生長出來，刺穿固體電解質並導致內部短路。

現在，馬克斯普朗克永續材料研究所 (MPI-SusMat) 的跨學科團隊已經準確地確定了這些樹突如何導致斷裂，從而導致電池故障。他們的研究結果發表在雜誌上 自然。

枝晶如何破壞固態電池

軟鋰枝晶到底如何突破硬陶瓷電解質一直困擾研究人員。

「雖然形成的電極和枝晶是像泰迪熊一樣柔軟的鋰金屬，但枝晶能夠穿透陶瓷電解質並導致短路，」新出版物的第一作者、MPI-SusMat「電池材料化學力學」小組負責人張宇偉博士說。 「柔軟的枝晶如何破壞剛性的固體陶瓷？有兩種假設：枝晶內部產生內應力，導致固體電解質機械斷裂。或者電子通過固體電解質的晶界逸出，促進鋰核的形成，然後鋰核結合在一起。”

為了確定正確的解釋，研究人員使用了樣品製備和材料表徵技術的先進組合。所有步驟均在真空和低溫下進行，以消除氧氣、水或顯微鏡電子束的干擾。

研究團隊研究了裂縫內鋰枝晶的內應力和塑性變形。他們的分析發現，在枝晶尖端之前沒有鋰積累，排除了一種提出的機制。

「柔軟的鋰金屬能夠滲透剛性陶瓷電解質，就像連續的水流滲透岩石一樣。我們計算出，枝晶上的靜水應力最終會導致固體電解質的脆性斷裂，」張說。

研究人員還利用相場模擬和電子背散射衍射測量證實了他們的發現。

避免電池故障的新策略

隨著對枝晶如何分解固體電解質有了更好的了解，該團隊現在正在研究停止或延遲這個過程的方法。

潛在的解決方案包括使固體電解質變得更硬，以使其能夠更長時間地抵抗開裂，引入微觀空隙來重新引導枝晶生長並將裂縫從脆弱區域轉移開，或者在鋰電極上添加保護塗層以首先減少枝晶的形成。

研究人員表示，他們的工作證明了了解材料在微觀層面上的行為的重要性。這些見解有助於將固態電池從一個有前途的概念轉變為未來智慧型手機、電動車和其他電子設備的實用技術。