中國儲能網(wǎng)訊：作為最具潛力的“下一代動力電池”，固態(tài)電池被業(yè)界寄予厚望。記者22日從中國科學院金屬研究所獲悉，利用原位透射電鏡技術，來自該所等單位的科研人員，首次在納米尺度下觀察到固態(tài)電池內(nèi)部的短路變化過程，成功找到固態(tài)電池短路的原因，并揭示短路變化背后的鋰金屬析出的具體機制。相關研究成果發(fā)表于《美國化學會會刊》。
目前，手機和電動汽車都靠鋰電池供電，但常用的液態(tài)鋰電池存在安全隱患。為了解決這個問題，科研人員正在開發(fā)一種更安全的全固態(tài)電池。這種電池用固態(tài)電解質(zhì)代替了液態(tài)的電解液，還能搭配具有更高能量密度的鋰金屬負極，讓電池儲能更多。不過，這種新電池也有個棘手的問題：它的固態(tài)電解質(zhì)有時會突然短路，導致電池失效。
在這項研究中，科研人員通過原位電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池短路的原因主要與內(nèi)部缺陷有關，比如晶界和孔洞。這個過程分為兩步：先是軟短路，后是硬短路。在軟短路階段，鋰金屬像樹根一樣沿著缺陷生長，形成臨時的導電通道。這些通道會頻繁出現(xiàn)，導致短路電流逐漸增大。此時，固態(tài)電解質(zhì)就像被“訓練”了一樣，慢慢形成固定的導電通道。隨著情況惡化，固態(tài)電解質(zhì)最終徹底喪失絕緣能力，發(fā)生不可逆的硬短路。
“在這個過程中，鋰金屬會像水銀滲入金屬一樣，在微小裂縫中‘腐蝕’材料結(jié)構(gòu)，導致脆裂擴散。最終，電池從暫時漏電（軟短路）徹底崩潰為永久短路（硬短路）?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒅袊茖W院金屬所研究員王春陽說，“我們的研究表明，這種失效機制在多種無機固態(tài)電解質(zhì)中普遍存在。”
更重要的是，基于以上發(fā)現(xiàn)，科研人員利用具有彈性和絕緣性的聚合物網(wǎng)絡，開發(fā)了一種新型的無機/有機復合固態(tài)電解質(zhì)，有效抑制了固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部鋰金屬的析出和互連，從而有效避免了電池短路問題，大幅提高了電池的穩(wěn)定性和安全性。
王春陽表示，這項研究揭示了固態(tài)電池從軟短路到硬短路的轉(zhuǎn)變過程，并闡明了這一過程與鋰金屬析出之間的內(nèi)在聯(lián)系，為理解固態(tài)電解質(zhì)的失效機制提供了新視角，也為開發(fā)新型固態(tài)電解質(zhì)奠定了理論基礎。同時，研究還展示了先進透射電子顯微鏡技術在解決能源領域關鍵問題中的重要作用。
（中國科學院金屬研究所供圖）
