智能手机、电动汽车以及无数便携式电子设备都依赖电池。随着对更好能量存储的需求增长，电池容量、寿命和安全性的改善将在电气化的未来中发挥重要作用。最有前景的技术之一是固态电池，它可以让智能手机在单次充电下运行几天，并使电动汽车的续航里程比许多现有模型高出三倍。与传统锂离子电池使用的液态电解质不同，固态电池用固态电解质取代液体。这种设计提供了几个潜在的优势，包括更高的能量密度、改善的安全性和更长的电池寿命。但一个顽固的问题减缓了其商业化进程。在充电过程中，称为枝晶的微小树状结构会从锂阳极生长，刺穿固态电解质并造成内部短路。现在，来自马克斯·普朗克可持续材料研究所（MPI-SusMat）的跨学科团队已经确切识别出这些枝晶如何引发裂缝，最终导致电池失效。其研究结果发表在《自然》杂志上。枝晶如何破坏固态电池 柔软的锂枝晶如何穿透硬质陶瓷电解质一直困扰着研究人员。“尽管电极和形成的枝晶由锂金属构成，锂金属就像橡皮糖一样柔软，但枝晶能够穿透陶瓷电解质并导致短路，” 新出版物的第一作者、MPI-SusMat的“电池材料化学力学”小组负责人张宇维博士说。“柔软的枝晶如何能够破坏刚性的固体陶瓷？有两个假设：一种是枝晶内部积累的内应力导致固体电解质的机械破裂，另一种是电子沿着固体电解质的晶界泄漏，促进锂核的形成并随后相互连接。”为了确定哪种解释是正确的，研究人员使用了一种先进的样品制备和材料表征技术的组合。每一步都在真空和低温下进行，以消除氧气、水或甚至显微镜电子束的干扰。团队考察了被困在裂纹中的锂枝晶的内部应力和塑性变形。他们的分析发现，枝晶尖端前没有锂的积累，排除了一个提议的机制。“软锂金属能够像连续的水射流那样穿透坚硬的陶瓷电解质。我们计算出枝晶中的静水压力最终导致了固体电解质的脆性破裂，”张博士表示。研究人员还利用相场模拟和电子背散射衍射测量确认了他们的结论。防止电池失效的新策略 通过更好地理解枝晶如何破坏固态电解质，团队现在正在探索阻止或延迟这一过程的方法。潜在解决方案包括提升固态电解质的韧性以延长其抗裂能力，引入微观空隙以重新引导枝晶生长并将裂缝引导远离易受损区域，或在锂电极上添加保护涂层以减少枝晶的形成。研究人员表示，他们的工作展示了理解材料在微观水平上行为的重要性。这些见解可能帮助将固态电池从一个有前景的概念转变为未来智能手机、电动汽车和其他电子设备的实用技术。