固態電池鋰枝晶內部應力導致陶瓷電解質破裂短路

德國馬克斯·普朗克可持續材料研究所的研究人員發現，鋰枝晶如何在固態電池內部引發裂縫，這項發現有助解決下一代能源儲存面臨的最大障礙之一。固態電池被視為未來取代現有鋰離子電池的方案，因為它們能儲存更多能量、使用壽命更長，並提升安全性。它們以固態陶瓷電解質取代傳統電池中易燃液態電解質，但商業化進程卻因一項重大問題而受阻。在充電過程中，電極會長出微小鋰枝晶，刺穿固態電解質並造成內部短路。

新研究解釋了這一現象。

軟金屬如何擊破硬陶瓷

「雖然電極和形成的鋰枝晶由類似軟糖般的鋰金屬構成，但枝晶仍能穿透陶瓷電解質並導致短路，」研究第一作者、馬克斯·普朗克可持續材料研究所「電池材料化學力學」小組負責人張宇偉博士表示。研究團隊在真空及低溫環境下製備並分析電池樣本，以排除氧氣、水分或顯微鏡光束干擾對結果的影響。他們檢查裂縫內的鋰，並未發現枝晶前端有鋰堆積證據，這推翻了電子沿晶界洩漏導致陶瓷內新鋰生長的傳統理論。

相反，團隊得出結論：枝晶內的靜水壓力產生足夠拉伸應力，導致電解質破裂。「軟鋰金屬像持續水射流般穿透堅硬陶瓷電解質，我們計算顯示枝晶內靜水應力最終引發固態電解質脆性斷裂，」張宇偉補充。
此發現可助電池開發者設計更耐裂縫及短路的固態電池。當前探索方案包括更耐應力的堅韌固態電解質、引導枝晶生長的微觀空隙，以及鋰電極上的保護塗層以減少充電時枝晶形成。若成功，這些改進將加速長壽命智能手機、更安全電池及續航更長電動車的實現。

固態電池多年來備受矚目，但製造及可靠性問題延遲了大規模應用。精確理解電池失效機制被視為商業部署的關鍵一步。研究刊登於 Nature 期刊。