電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心王春陽(yáng)研究員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)刊》（Journal of the American Chemical Society）上刊登了一份研究成果，利用原位透射電鏡技術(shù)首次在納米尺度揭示了無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中的軟短路向硬短路轉(zhuǎn)變機(jī)制及其背后的析鋰動(dòng)力學(xué)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是為固態(tài)電解質(zhì)的納米尺度失效機(jī)理提供了全新認(rèn)知，改變了以往對(duì)固態(tài)電池短路問(wèn)題的理解，從根本上揭示了其失效的動(dòng)態(tài)機(jī)制，為后續(xù)研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。

固態(tài)電池的短路機(jī)制

固態(tài)電池因采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解液，理論上具備更高的安全性和能量密度，被視為下一代電池技術(shù)的核心方向。然而，在商業(yè)化的進(jìn)程中卻長(zhǎng)期受制于一個(gè)致命難題，即固態(tài)電解質(zhì)會(huì)突發(fā)短路。

這種短路現(xiàn)象無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)鋰電的熱失控模型解釋，且具有不可預(yù)測(cè)性，導(dǎo)致電池性能驟降甚至失效。儲(chǔ)能性能下降甚至失效以外，還可能帶來(lái)安全上的風(fēng)險(xiǎn)增加、設(shè)備故障乃至經(jīng)濟(jì)損失。

近期，據(jù)中國(guó)科學(xué)院金屬研究所透露，該所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心王春陽(yáng)研究員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)最近在這方面取得重要突破。

團(tuán)隊(duì)利用原位透射電鏡技術(shù)，首次在納米尺度（<10 nm）實(shí)時(shí)捕捉到固態(tài)電池短路動(dòng)態(tài)過(guò)程。這一技術(shù)突破源自王春陽(yáng)在博士期間開(kāi)發(fā)的透射電鏡三維成像技術(shù)，以及后續(xù)與布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作中發(fā)展的AI輔助超分辨成像技術(shù)。

通過(guò)原位電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部存在缺陷，如晶界、孔洞等。鋰離子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下遷移時(shí)，這些缺陷處的電場(chǎng)畸變會(huì)導(dǎo)致局部電流密度激增，迫使鋰金屬以納米級(jí)“樹(shù)根”形態(tài)沿缺陷生長(zhǎng)，形成瞬間導(dǎo)電通路，即“軟短路”。

圖源：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所官網(wǎng)

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)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”。

盡管固態(tài)電池領(lǐng)域長(zhǎng)期存在短路不可預(yù)測(cè)的共識(shí)，但團(tuán)隊(duì)選擇從基礎(chǔ)物理機(jī)制切入。王春陽(yáng)曾提到，他的研究驅(qū)動(dòng)力源自對(duì)看似簡(jiǎn)單問(wèn)題的強(qiáng)烈求知欲，例如為何固態(tài)電解質(zhì)會(huì)突然崩潰而非逐漸失效，即為何從軟短路突然變?yōu)橛捕搪贰?br />
針對(duì)多種無(wú)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(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中具有普遍性。此外，該團(tuán)隊(duì)還建立了“應(yīng)力累積-裂紋萌生-鋰滲透”的三階段演變模型，生動(dòng)的展現(xiàn)出了固態(tài)電池短路的過(guò)程。

短路機(jī)制揭露后將加速固態(tài)電池量產(chǎn)

從整個(gè)短路機(jī)制的原理來(lái)看，有業(yè)內(nèi)人士在觀看該團(tuán)隊(duì)的論文后表示，固態(tài)電池短路的原因主要有兩個(gè)，一個(gè)是固態(tài)電池材料本身，一個(gè)是電池電流密度不均勻?qū)е隆?br />
因此，隨著固態(tài)電池短路機(jī)制的揭露，該研究團(tuán)隊(duì)還提出了一些解決方案。例如將三維電子絕緣聚合物網(wǎng)絡(luò)與無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合，開(kāi)發(fā)出一種無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，填補(bǔ)晶界間隙，阻斷鋰枝晶生長(zhǎng)路徑。

圖源：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所官網(wǎng)

原理來(lái)看，一方面，三維電子絕緣的聚合物網(wǎng)絡(luò)能夠有效抑制固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部鋰金屬的析出和互連。因?yàn)殇嚱饘俚奈龀龊突ミB是導(dǎo)致短路的關(guān)鍵因素，通過(guò)阻止其發(fā)生，可以從根本上降低短路的風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建出了低阻抗離子傳輸通道，使得鋰離子能夠在電解質(zhì)中快速、高效地傳輸，保證了電池的正常充放電性能。也就是說(shuō)，該技術(shù)在抑制短路的同時(shí)，沒(méi)有影響電池的離子傳導(dǎo)性能，從而實(shí)現(xiàn)了安全性和性能的兼顧。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)還處于剛起步階段，短路現(xiàn)象還不明顯，但隨著這一機(jī)理的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于后期的設(shè)計(jì)將會(huì)具有極大的參考價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)不少企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始逐漸布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)，例如國(guó)軒高科在今年5月已經(jīng)建成0.2GWh全固態(tài)電池中試線，搭載該技術(shù)的準(zhǔn)固態(tài)電池（350Wh/kg）已啟動(dòng)裝車測(cè)試。

上汽計(jì)劃2025年底在MG4車型應(yīng)用半固態(tài)電池，梅賽德斯-奔馳測(cè)試車?yán)m(xù)航提升25%，其電池能量密度可以到450Wh/kg。同時(shí)，北方華創(chuàng)等企業(yè)基于該研究開(kāi)發(fā)ALD（原子層沉積）設(shè)備，解決固-固界面改性難題。

政策上，工信部推出的《新型儲(chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)行動(dòng)方案》明確將固態(tài)電池列為重點(diǎn)攻關(guān)方向，計(jì)劃2027年前培育3-5家龍頭企業(yè)。珠海、上海等地推出專項(xiàng)補(bǔ)貼，研發(fā)費(fèi)用最高可以50%返還，加速技術(shù)落地。

與此同時(shí)，中國(guó)在固態(tài)電池專利占比從2018年的15%躍升至30%，逼近日本的37%。寧德時(shí)代、比亞迪等企業(yè)基于該研究調(diào)整技術(shù)路線，例如硫化物路線聚焦高端電動(dòng)車，氧化物路線則主攻儲(chǔ)能場(chǎng)景。

整體來(lái)看，此次固態(tài)電池短路機(jī)制的發(fā)現(xiàn)并提出有效解決方案，為固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用掃清了關(guān)鍵障礙，有望加速其在電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

并且有效抑制短路失效，顯著提升了固態(tài)電池的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)延長(zhǎng)了電池的循環(huán)壽命，使其更符合實(shí)際使用需求。也為固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)提供了明確的技術(shù)發(fā)展方向，有助于推動(dòng)材料研發(fā)、電池制造、設(shè)備生產(chǎn)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。

小結(jié)

本次王春陽(yáng)團(tuán)隊(duì)的突破不僅破解了固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化一個(gè)重要的卡脖子難題，更開(kāi)創(chuàng)了從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)落地的典范路徑。隨著技術(shù)迭代與生態(tài)協(xié)同，全固態(tài)電池有望在2027-2030年實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，成為新能源汽車、儲(chǔ)能電網(wǎng)乃至低空飛行器的核心動(dòng)力來(lái)源。