電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心王春陽研究員領(lǐng)導的國際合作團隊在《美國化學會會刊》（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機固態(tài)電解質(zhì)中的軟短路向硬短路轉(zhuǎn)變機制及其背后的析鋰動力學。

簡單來說，就是為固態(tài)電解質(zhì)的納米尺度失效機理提供了全新認知，改變了以往對固態(tài)電池短路問題的理解，從根本上揭示了其失效的動態(tài)機制，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)化的進程中卻長期受制于一個致命難題，即固態(tài)電解質(zhì)會突發(fā)短路。

這種短路現(xiàn)象無法通過傳統(tǒng)鋰電的熱失控模型解釋，且具有不可預測性，導致電池性能驟降甚至失效。儲能性能下降甚至失效以外，還可能帶來安全上的風險增加、設備故障乃至經(jīng)濟損失。

近期，據(jù)中國科學院金屬研究所透露，該所沈陽材料科學國家研究中心王春陽研究員領(lǐng)導的國際合作團隊最近在這方面取得重要突破。

團隊利用原位透射電鏡技術(shù)，首次在納米尺度（<10 nm）實時捕捉到固態(tài)電池短路動態(tài)過程。這一技術(shù)突破源自王春陽在博士期間開發(fā)的透射電鏡三維成像技術(shù)，以及后續(xù)與布魯克海文國家實驗室合作中發(fā)展的AI輔助超分辨成像技術(shù)。

通過原位電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部存在缺陷，如晶界、孔洞等。鋰離子在電場驅(qū)動下遷移時，這些缺陷處的電場畸變會導致局部電流密度激增，迫使鋰金屬以納米級“樹根”形態(tài)沿缺陷生長，形成瞬間導電通路，即“軟短路”。

圖源：中國科學院金屬研究所官網(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)域長期存在短路不可預測的共識，但團隊選擇從基礎(chǔ)物理機制切入。王春陽曾提到，他的研究驅(qū)動力源自對看似簡單問題的強烈求知欲，例如為何固態(tài)電解質(zhì)會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 />
針對多種無機固態(tài)電解質(zhì)的系統(tǒng)研究表明，這一失效機制在 NASICON 型和石榴石型無機固態(tài)電解質(zhì)中具有普遍性。此外，該團隊還建立了“應力累積-裂紋萌生-鋰滲透”的三階段演變模型，生動的展現(xiàn)出了固態(tài)電池短路的過程。

短路機制揭露后將加速固態(tài)電池量產(chǎn)

從整個短路機制的原理來看，有業(yè)內(nèi)人士在觀看該團隊的論文后表示，固態(tài)電池短路的原因主要有兩個，一個是固態(tài)電池材料本身，一個是電池電流密度不均勻?qū)е隆?br />
因此，隨著固態(tài)電池短路機制的揭露，該研究團隊還提出了一些解決方案。例如將三維電子絕緣聚合物網(wǎng)絡與無機固態(tài)電解質(zhì)復合，開發(fā)出一種無機-有機復合固態(tài)電解質(zhì)，填補晶界間隙，阻斷鋰枝晶生長路徑。

圖源：中國科學院金屬研究所官網(wǎng)

原理來看，一方面，三維電子絕緣的聚合物網(wǎng)絡能夠有效抑制固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部鋰金屬的析出和互連。因為鋰金屬的析出和互連是導致短路的關(guān)鍵因素，通過阻止其發(fā)生，可以從根本上降低短路的風險。

另一方面，這種復合結(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，該技術(shù)在抑制短路的同時，沒有影響電池的離子傳導性能，從而實現(xiàn)了安全性和性能的兼顧。

當前，國內(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，但隨著這一機理的發(fā)現(xiàn)，對于后期的設計將會具有極大的參考價值。

目前國內(nèi)不少企業(yè)已經(jīng)開始逐漸布局固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)，例如國軒高科在今年5月已經(jīng)建成0.2GWh全固態(tài)電池中試線，搭載該技術(shù)的準固態(tài)電池（350Wh/kg）已啟動裝車測試。

上汽計劃2025年底在MG4車型應用半固態(tài)電池，梅賽德斯-奔馳測試車續(xù)航提升25%，其電池能量密度可以到450Wh/kg。同時，北方華創(chuàng)等企業(yè)基于該研究開發(fā)ALD（原子層沉積）設備，解決固-固界面改性難題。

政策上，工信部推出的《新型儲能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)行動方案》明確將固態(tài)電池列為重點攻關(guān)方向，計劃2027年前培育3-5家龍頭企業(yè)。珠海、上海等地推出專項補貼，研發(fā)費用最高可以50%返還，加速技術(shù)落地。

與此同時，中國在固態(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車，氧化物路線則主攻儲能場景。

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

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，同時延長了電池的循環(huán)壽命，使其更符合實際使用需求。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，有助于推動材料研發(fā)、電池制造、設備生產(chǎn)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。

小結(jié)

本次王春陽團隊的突破不僅破解了固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化一個重要的卡脖子難題，更開創(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年實現(xiàn)規(guī)模化應用，成為新能源汽車、儲能電網(wǎng)乃至低空飛行器的核心動力來源。