5月21日消息，據央視報道，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心王春陽研究員聯合國際團隊近期取得重要突破，利用原位透射電鏡技術首次在納米尺度揭示了無機固態電解質中的軟短路－硬短路轉變機制及其背后的析鋰動力學，研究成果5月20日發表在《美國化學會會刊》。


手機、電動汽車都依賴鋰電池供電，但液態鋰電池存在安全隱患，研究人員正在研發更安全的“全固態電池”，用固態電解質取代液態電解液，同時還能搭配能量密度更高的鋰金屬負極。


然而這種革命性電池面臨一個致命難題——固態電解質會突然短路失效。


原位電鏡觀察表明，固態電解質內部缺陷（如晶界、孔洞等）誘導的鋰金屬析出和互連形成的電子通路直接導致了固態電池的短路，這一過程分為兩個階段：軟短路和硬短路。


軟短路源于納米尺度上鋰金屬的析出與瞬時互連，這時的鋰金屬就像樹根一樣沿著晶界、孔洞等缺陷生長，形成瞬間導電通路。隨后，伴隨著軟短路的高頻發生和短路電流增加，固態電解質就像被“訓練”過的智能開關，逐步形成記憶性導電通道，最終徹底喪失絕緣能力，引發不可逆的硬短路。


在此過程中，固態電池內部的微小裂縫處，納米級的鋰金屬像滲入金屬的水銀般“腐蝕”材料結構，引發脆裂蔓延，使電池從暫時漏電（軟短路）徹底崩潰為永久短路（硬短路）。針對多種無機固態電解質的系統研究表明，這一失效機制在NASICON型和石榴石型無機固態電解質中具有普遍性。


基于這些發現，研究團隊利用三維電子絕緣且機械彈性的聚合物網絡，發展了無機/有機復合固態電解質，有效抑制了固態電解質內部的鋰金屬析出、互連及其誘發的短路失效，顯著提升了其電化學穩定性。


該研究通過闡明固態電解質的軟短路－硬短路轉變機制及其與析鋰動力學的內在關聯，為固態電解質的納米尺度失效機理提供了全新認知，為新型固態電解質的開發提供了理論依據。
專題報道：汽車電池