中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：作為最具潛力的“下一代動(dòng)力電池”，固態(tài)電池被業(yè)界寄予厚望。記者22日從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所獲悉，利用原位透射電鏡技術(shù)，來(lái)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(guò)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(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)刊》。
目前，手機(jī)和電動(dòng)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(gè)問(wèn)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(fù)極，讓電池儲(chǔ)能更多。不過(guò)，這種新電池也有個(gè)棘手的問(wèn)題：它的固態(tài)電解質(zhì)有時(shí)會(huì)突然短路，導(dǎo)致電池失效。
在這項(xiàng)研究中，科研人員通過(guò)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(guān)，比如晶界和孔洞。這個(gè)過(guò)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(zhǎng)，形成臨時(shí)的導(dǎo)電通道。這些通道會(huì)頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致短路電流逐漸增大。此時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)就像被“訓(xùn)練”了一樣，慢慢形成固定的導(dǎo)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(gè)過(guò)程中，鋰金屬會(huì)像水銀滲入金屬一樣，在微小裂縫中‘腐蝕’材料結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致脆裂擴(kuò)散。最終，電池從暫時(shí)漏電（軟短路）徹底崩潰為永久短路（硬短路）?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、中國(guó)科學(xué)院金屬所研究員王春陽(yáng)說(shuō)，“我們的研究表明，這種失效機(jī)制在多種無(wú)機(jī)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(luò)，開發(fā)了一種新型的無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)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(wèn)題，大幅提高了電池的穩(wěn)定性和安全性。
王春陽(yáng)表示，這項(xiàng)研究揭示了固態(tài)電池從軟短路到硬短路的轉(zhuǎn)變過(guò)程，并闡明了這一過(guò)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(jī)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(chǔ)。同時(shí)，研究還展示了先進(jìn)透射電子顯微鏡技術(shù)在解決能源領(lǐng)域關(guān)鍵問(wèn)題中的重要作用。
（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所供圖）
