研究人员揭开了柔软的锂枝晶如何使固态电池内部坚硬的陶瓷开裂并引发短路的谜团。这一突破有助于工程师为智能手机、电动汽车及其他电子设备制造更安全、更持久的电池。
与在两个固体电极之间使用液态电解质的传统锂离子电池不同，固态电池用固态电解质替代了液体。这种设计具有多项潜在优势，包括更高的能量密度、更高的安全性以及更长的电池寿命。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，刺穿固态电解质，并造成内部短路。
目前，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明确了这些枝晶如何引发裂纹，并最终导致电池失效。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。
枝晶如何导致固态电池破裂
柔软的锂枝晶究竟是如何设法突破坚硬的陶瓷电解质的，这一问题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，质地像软糖一样软，但枝晶却能够穿透陶瓷电解质并导致短路，”这篇新论文的第一作者、MPI-SusMat“电池材料化学力学”小组负责人张宇伟博士说。“柔软的枝晶如何使坚硬的固态陶瓷断裂？有两种假说：要么是枝晶内部积聚了内应力，导致固态电解质发生机械断裂。要么是电子沿着固态电解质的晶界泄漏，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，研究人员采用了先进的样品制备和材料表征技术组合。每一步都在真空和低温条件下进行，以消除氧气、水分甚至显微镜电子束的干扰。
团队检查了被困在裂纹中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积聚，从而排除了其中一种提出的机制。
“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压力最终导致固态电解质发生脆性断裂，”张博士说。
研究人员还通过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
随着对枝晶如何导致固态电解质破裂有了更深入的了解，团队目前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态电解质的韧性，使其更长时间抵抗开裂；引入微孔以改变枝晶生长方向，使裂纹避开脆弱区域；或者给锂电极添加保护涂层，从源头上减少枝晶的形成。
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。这些见解有助于将固态电池从一种前景广阔的概念转化为适用于未来智能手机、电动汽车和其他电子设备的实用技术。