手機(jī)、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(fù)極。然而這種革命性電池面臨一個致命難題——固態(tài)電解質(zhì)會突然短路失效。

△無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中的軟短路－硬短路轉(zhuǎn)變機(jī)制示意圖以及其抑制機(jī)理

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心王春陽研究員聯(lián)合國際團(tuán)隊近期取得重要突破，利用原位透射電鏡技術(shù)首次在納米尺度揭示了無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中的軟短路－硬短路轉(zhuǎn)變機(jī)制及其背后的析鋰動力學(xué)，研究成果5月20日發(fā)表在《美國化學(xué)會會刊》。

△鋰金屬析出——電解質(zhì)短路動力學(xué)的原位電鏡觀察

原位電鏡觀察表明，固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部缺陷（如晶界、孔洞等）誘導(dǎo)的鋰金屬析出和互連形成的電子通路直接導(dǎo)致了固態(tài)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(dǎo)電通路。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(xùn)練”過的智能開關(guān)，逐步形成記憶性導(dǎo)電通道，最終徹底喪失絕緣能力，引發(fā)不可逆的硬短路。

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(jié)構(gòu)，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(jī)固態(tài)電解質(zhì)的系統(tǒng)研究表明，這一失效機(jī)制在NASICON型和石榴石型無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中具有普遍性。

△軟短路－硬短路的轉(zhuǎn)變動力學(xué)的原位電鏡觀察和短路電流監(jiān)測

基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊利用三維電子絕緣且機(jī)械彈性的聚合物網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展了無機(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)部的鋰金屬析出、互連及其誘發(fā)的短路失效，顯著提升了其電化學(xué)穩(wěn)定性。

△無機(jī)/有機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中的穩(wěn)定鋰離子傳輸

該研究通過闡明固態(tài)電解質(zhì)的軟短路－硬短路轉(zhuǎn)變機(jī)制及其與析鋰動力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為固態(tài)電解質(zhì)的納米尺度失效機(jī)理提供了全新認(rèn)知，為新型固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)提供了理論依據(jù)。