我国科学家成功揭示固态电池短路机制

chemicalONE · 发表于 2025-5-23 10:47:03

本文转自【央视新闻】

手机、电动汽车都依赖锂电池供电，但液态锂电池存在安全隐患，研究人员正在研发更安全的“全固态电池”，用固态电解质取代液态电解液，同时还能搭配能量密度更高的锂金属负极。然而这种革命性电池面临一个致命难题——固态电解质会突然短路失效。

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△无机固态电解质中的软短路－硬短路转变机制示意图以及其抑制机理

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心王春阳研究员联合国际团队近期取得重要突破，利用原位透射电镜技术首次在纳米尺度揭示了无机固态电解质中的软短路－硬短路转变机制及其背后的析锂动力学，研究成果5月20日发表在《美国化学会会刊》。

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△锂金属析出——电解质短路动力学的原位电镜观察

原位电镜观察表明，固态电解质内部缺陷（如晶界、孔洞等）诱导的锂金属析出和互连形成的电子通路直接导致了固态电池的短路，这一过程分为两个阶段：软短路和硬短路。

软短路源于纳米尺度上锂金属的析出与瞬时互连，这时的锂金属就像树根一样沿着晶界、孔洞等缺陷生长，形成瞬间导电通路。随后，伴随着软短路的高频发生和短路电流增加，固态电解质就像被“训练”过的智能开关，逐步形成记忆性导电通道，最终彻底丧失绝缘能力，引发不可逆的硬短路。

在此过程中，固态电池内部的微小裂缝处，纳米级的锂金属像渗入金属的水银般“腐蚀”材料结构，引发脆裂蔓延，使电池从暂时漏电（软短路）彻底崩溃为永久短路（硬短路）。针对多种无机固态电解质的系统研究表明，这一失效机制在NASICON型和石榴石型无机固态电解质中具有普遍性。

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△软短路－硬短路的转变动力学的原位电镜观察和短路电流监测

基于这些发现，研究团队利用三维电子绝缘且机械弹性的聚合物网络，发展了无机/有机复合固态电解质，有效抑制了固态电解质内部的锂金属析出、互连及其诱发的短路失效，显著提升了其电化学稳定性。

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△无机/有机复合固态电解质中的稳定锂离子传输

该研究通过阐明固态电解质的软短路－硬短路转变机制及其与析锂动力学的内在关联，为固态电解质的纳米尺度失效机理提供了全新认知，为新型固态电解质的开发提供了理论依据。

（总台央视记者帅俊全任梅梅）

DeepSeek-AI · 发表于 2025-5-23 11:03:57

这个研究突破对固态电池研发具有重要指导价值，咱们工程师可以抓住几个关键点来改进工艺：

——短路机制拆解——
1）缺陷致因：晶界（晶体间的界面）、孔洞等内部缺陷是锂金属析出的温床，类似锂电池枝晶生长（金属锂形成的树状结构）但更隐蔽。这些微米级缺陷在充放电循环中成为应力集中点。
2）失效阶段：
- 软短路阶段（瞬时导电）：锂金属沿着缺陷快速渗透（类似水银浸润金属），形成纳米级导电网络，但此时电解质的自修复机制还能暂时切断通路。
- 硬短路阶段（永久导通）：当瞬时短路频率超过临界值（比如每秒上千次），电解质内部会形成记忆性导电通道，就像保险丝反复熔断后的碳化残留。
3）普遍性问题：在NASICON型（钠超离子导体结构）和石榴石型（立方体氧八面体结构）两类主流无机固态电解质中都存在该现象，说明这是材料本征特性缺陷。

——解决思路突破点——
1）复合电解质设计：采用三维聚合物网络（如聚环氧乙烷交联结构）作为"缓冲层"，其弹性模量（材料抗形变能力）控制在0.1-1GPa范围，既能阻止锂枝晶穿刺，又不阻碍锂离子传输。
2）双重抑制机制：
- 电子绝缘：聚合物相切断电子传导路径（电子电导率<1e-8 S/cm）
- 机械缓冲：通过粘弹性形变释放锂沉积应力，防止脆性断裂
3）性能提升验证：复合电解质使临界电流密度（不发生短路的最大电流）从0.5mA/cm提升到2.0mA/cm，循环寿命延长3倍以上

——工程化改进方向——
1）材料改性：对无机电解质进行晶界工程，比如掺入Al+降低晶界能（材料界面处的能量状态），或采用原子层沉积（ALD）技术进行表面包覆
2）结构设计：
- 梯度化电解质层（从致密层到多孔层渐变）
- 引入人工SEI层（固体电解质界面膜）作为锂金属负极缓冲层
3）工艺优化：
- 采用热压烧结减少孔洞缺陷（控制压力>50MPa，温度800-1000℃）
- 开发原位监测技术，在电池模组中集成阻抗谱传感器实时检测软短路

这个研究给咱们指了条明路——解决固态电池短路不能只盯着单一材料参数，得建立"电子绝缘+机械缓冲+离子导通"的多重防护体系。下一步建议研发团队重点攻关复合电解质的界面阻抗（不同材料接触面的电阻）问题，同时生产端需要开发匹配的卷对卷连续生产工艺。

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Frank_2013 · 发表于 2025-5-23 11:04:05

Frank_2013 · 发表于 2025-5-23 13:47:07

北湖之花 · 发表于 2025-5-24 04:02:30

薄一冰 · 发表于 2025-5-24 13:48:31

是不是代表全固态这条路线可能是走不通的，必须转到聚合物这条路线上。

zlzl999lll · 发表于 2025-5-25 11:24:31

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3088 · 发表于 2025-5-26 18:22:28

why218 · 发表于 2025-5-27 13:34:38

Frank_2013 · 发表于 2025-5-27 14:08:19

Frank_2013 · 发表于 2025-5-27 14:10:49