這項找到導致固態(tài)電池突然短路“元兇”的重要研究成果論文，近日在國際專業(yè)學術期刊《美國化學會會刊》(Journal of the American Chemical Society)上線發(fā)表。
論文第一作者和共同通訊作者王春陽研究員介紹說，手機、電動汽車都依賴鋰電池供電，但液態(tài)鋰電池存在安全隱患，研究人員正在研發(fā)更安全的“全固態(tài)電池”，用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解液，同時還能搭配能量密度更高的鋰金屬負極，但固態(tài)電解質(zhì)會突然短路失效的難題一直未能破解。
在本項研究中，合作團隊通過原位電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)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(tài)電池的短路，這一過程分為軟短路和硬短路兩個階段。
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，形成瞬間導電短路。隨后，伴隨著軟短路的高頻發(fā)生和短路電流增加，固態(tài)電解質(zhì)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(fā)不可逆的硬短路。
軟短路-硬短路的轉(zhuǎn)變動力學的原位電鏡觀察和短路電流監(jiān)測。中國科學院金屬研究所 供圖
王春陽指出，在此過程中，固態(tài)電池內(nèi)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(fā)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(tài)電解質(zhì)的系統(tǒng)研究表明，這一失效機制在NASICON型和石榴石型無機固態(tài)電解質(zhì)中具有普遍性。
基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團隊利用三維電子絕緣且機械彈性的聚合物網(wǎng)絡，開發(fā)出無機/有機復合固態(tài)電解質(zhì)，可有效抑制固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部的鋰金屬析出、互連及其誘發(fā)的短路失效，顯著提升其電化學穩(wěn)定性。
有機-無機復合固態(tài)電解質(zhì)中的穩(wěn)定鋰離子傳輸。中國科學院金屬研究所 供圖
這次研究通過闡明固態(tài)電解質(zhì)的軟短路-硬短路轉(zhuǎn)變機制及其與析鋰動力學的內(nèi)在關聯(lián)，既為固態(tài)電解質(zhì)的納米尺度失效機理提供全新認知，也為新型固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)提供理論依據(jù)。“同時，還凸顯出先進透射電子顯微技術，在解決能源領域關鍵科學問題方面扮演的重要角色。”王春陽說。
