与在两个固体电极之间使用液体电解质的传统锂离子电池不同，固态电池用固体电解质取代了液体。这种设计提供了几个潜在优势，包括更高的能量密度、更高的安全性和更长的电池寿命。但一个棘手的问题减缓了其商业化进程。在充电过程中，被称为枝晶的微小树状结构可以从锂负极生长，刺穿固体电解质，并造成内部短路。
现在，马克斯·普朗克可持续材料研究所（MPI-SusMat）的一个跨学科团队已经准确揭示了这些枝晶如何引发最终导致电池失效的断裂。他们的发现发表在《自然》杂志上。
枝晶如何导致固态电池开裂
柔软的锂枝晶究竟是如何突破坚硬的陶瓷电解质的，长期以来一直困扰着研究人员。
“虽然电极和形成的枝晶由锂金属组成，像软糖一样软，但枝晶能够穿透陶瓷电解质并导致短路，”新发表文章的第一作者、MPI-SusMat“电池材料化学力学”小组负责人张宇伟博士说。“柔软的枝晶如何能使坚硬的固体陶瓷断裂？有两种假设：要么是枝晶内部积聚了内应力，导致固体电解质的机械断裂。要么是电子沿着固体电解质的晶界泄漏，促进了锂核的形成，随后这些锂核相互连接。”
为了确定哪种解释是正确的，研究人员使用了样品制备和材料表征技术的先进组合。每一步都在真空和低温下进行，以消除氧气、水甚至显微镜电子束的干扰。
团队检查了被困在裂纹内部的锂枝晶的内应力和塑性变形。他们的分析发现枝晶尖端前方没有锂的积聚，从而排除了一个提出的机制。
“柔软的锂金属能够穿透坚硬的陶瓷电解质，就像连续的水射流穿透岩石一样。我们计算出枝晶内的静水应力最终导致固体电解质的脆性断裂，”张说。
研究人员还利用相场模拟和电子背散射衍射测量证实了他们的结论。
防止电池失效的新策略
随着对枝晶如何使固体电解质断裂有了更好的理解，团队正在研究阻止或延缓这一过程的方法。
潜在的解决方案包括提高固体电解质的韧性以延长其抗裂时间，引入微观孔隙来改变枝晶生长方向并将裂纹引导远离脆弱区域，或者给锂电极添加保护涂层以从根本上减少枝晶的形成。
研究人员表示，他们的工作证明了理解材料在微观层面上行为的重要性。这些见解可能有助于将固态电池从一种前景广阔的概念转化为未来的智能手机、电动汽车和其他电子设备的实用技术。