固态电池为何频繁开裂？研究人员终于找到答案

固态电池的储能容量更大、充电速度更快，有望成为能源领域的下一个重大突破。好消息是：研究人员可能已经锁定了这类电池迟迟无法实现大规模商业化的一个主要原因。

德国杜塞尔多夫马克斯·普朗克可持续材料研究所的研究团队于近日在《自然》杂志上发表了研究成果。该团队表示，已识别出固态电池陶瓷固体电解质开裂的一个关键机制——而固体电解质正是固态电池区别于目前大多数电子设备所用液态电解质电池的核心所在。

固态电池用固体电解质替代液态电解质，这一设计带来了多项潜在优势：能量密度更高，电池体积可以做得更小、更轻，某些设计方案的充电速度更快、使用寿命更长，整体安全性也更高——因为固体电解质不像液态电解质那样易燃，也不存在泄漏风险。

然而，固态电池的优势所在，恰恰也是其致命弱点。固体电解质通常由陶瓷材料制成，容易产生微小裂纹。金属负极镀出的锂会沿裂纹生长，在电解质内部形成树枝状细丝。一旦这些细丝持续扩展，就会加剧裂纹并最终导致电池短路。

马克斯·普朗克团队认为已找到石榴石电解质样本中树枝晶诱发断裂的驱动机制，并提出了几种可能在未来固态电池设计中减少损坏的方案。

关于树枝晶如何导致电解质断裂，目前学界存在两种理论：一是锂树枝晶内部的应力导致陶瓷破裂；二是晶界处的电子泄漏促使孤立锂核生成，这些锂核随后相互连接，共同引发短路。

马克斯·普朗克团队在低温真空条件下对多组样本进行了处理，以排除外部因素干扰。结果显示，树枝晶诱发开裂与机械应力密切相关。研究人员发现，树枝晶尖端前方并不存在锂富集现象，这意味着电子泄漏理论不成立，而应力测量结果则有力支持了机械破坏理论。

"柔软的锂金属能够穿透坚硬的陶瓷电解质，就像持续喷射的水流穿透岩石一样，"第一作者张宇威在马克斯·普朗克研究所发布的新闻稿中说道，"我们计算得出，树枝晶内部的静水压力最终导致固体电解质发生脆性断裂。"

该团队不仅得出了机械失效是树枝晶诱发短路根源的结论，还对如何阻止裂纹扩展进行了初步研究。

张宇威及其同事提出了几种可能的解决方案：其一，研发韧性更强的固体电解质，使其天然抵抗裂纹；若难以实现，则可考虑第二种方案——在电解质中预留微观孔隙，迫使树枝晶沿特定路径生长，从而抑制断裂和蔓延；此外，也可在锂负极表面涂覆涂层，阻止裂纹的形成。

这些方案从表面看似乎并不复杂，但背后涉及大量复杂的化学问题，研究人员还需数年时间加以攻克。我们曾就相关建议何时能够进行更大范围测试询问马克斯·普朗克团队，但尚未收到回复。

就在马克斯·普朗克团队公布上述发现的几周前，麻省理工学院的研究团队同样在《自然》杂志上发表了研究成果，指出压力和机械力并非陶瓷电解质碎裂的唯一原因，其背后还存在电化学层面的失效机制。

"通常情况下，我们会预期树枝晶生长越快，产生的应力越大，"麻省理工学院材料科学教授、该研究团队的资深作者蒋业明在谈及研究结论时表示，"但我们观察到的结果恰恰相反——生长越快，周围的应力反而越低，这意味着固体电解质在较低应力下便已发生断裂。"

蒋业明认为，这说明机械力并非唯一原因，电解质本身也发生了脆化。

麻省理工学院团队借助低温扫描透射电子显微镜，在近乎原子尺度上对电解质进行了观测，发现有离子电流穿过电解质并导致其变脆，从而引发裂纹。此外，研究人员还在所研究的树枝晶尖端观察到锂离子的集中流动现象。

麻省理工学院材料科学与工程博士候选人、该论文第一作者科尔·芬彻在接受媒体采访时表示，他认为马克斯·普朗克团队的发现与自己的研究相互印证、互为补充。

"在此前发表于《焦耳》期刊的工作中，我们证明了树枝晶生长是一种机械断裂过程，"芬彻解释道，"而在这篇《自然》论文中，我们进一步表明，电化学过程会削弱固体电解质，并加速这一断裂过程。"

换言之，麻省理工学院最新发表的研究成果，为现有固态电池电解质存在的缺陷提供了更多证据支撑。清楚知道究竟是什么阻碍了储能技术的飞跃，固然令人振奋；但同样令人沮丧的是，唯一的出路仍是继续攻克更艰深的科学难题，寻找性能更优越的电解质材料。

正所谓：进两步，退一步。

Q&A

Q1：固态电池的优势是什么，为什么还没普及？

A：固态电池采用固体电解质替代液态电解质，具备能量密度更高、体积更小更轻、充电速度更快、使用寿命更长且更安全（不易燃、不泄漏）等优势。但其核心问题在于陶瓷固体电解质容易产生微小裂纹，镀出的锂会沿裂纹生长形成树枝晶，最终导致电池短路失效，这一技术难题尚未被完全解决，因此距离大规模商业化仍有距离。

Q2：马克斯·普朗克团队发现固态电池开裂的原因是什么？

A：马克斯·普朗克团队通过在低温真空条件下对样本进行研究，发现固态电池陶瓷电解质开裂的根本原因是机械应力，而非此前部分研究认为的电子泄漏。锂金属树枝晶在生长过程中产生静水压力，像水流穿透岩石一样挤压并撑裂陶瓷电解质，最终引发短路。

Q3：目前有哪些解决固态电池开裂问题的方法？

A：研究团队提出了三种可能的解决方案：一是研发韧性更强的固体电解质材料，从根本上抵抗裂纹；二是在电解质中预留微观孔隙，引导树枝晶沿不易断裂的路径生长；三是在锂负极表面涂覆特殊涂层，阻止裂纹的初始形成。不过这些方案在实际应用中涉及复杂的化学问题，仍需数年时间进行深入研究与验证。