牛津大学科学家揭秘全固态电池故障机制 或加速实现固态电池量

据外媒报道，全固态电池是一种所有部件都是固体的电池，由于其能够存储更多能量，而且具备操作更安全的潜力，已成为替代锂离子电池的下一代电池，受到了人们的关注。如果固态电池能够实现量产，将能够给电动汽车（EV）行业带来革命性的变化，因为其可有效增加电动汽车的续航里程，以及可以显著降低电动汽车体积和重量。但是，固态电池在实际电流下循环（反复充放电）后会发生故障，这也是阻碍其实现大规模商业化的障碍之一。

（图片来源：自然科学杂志）

不过，英国牛津大学（the University of Oxford）法拉第研究所（Faraday Institution）的研究人员采取了措施，了解了固态电池出现故障的机制（是避免其出现此类故障的必要前提）。电池在充电时，锂离子还原时形成的树枝状金属锂就是枝晶，会穿过固态、陶瓷和电解质继续蔓延，从而导致电池短路。

很久之前，研究人员就知道固态电池的阳极会产生孔隙，但是人们还没有理解此类孔隙在枝晶形成过程中的作用。该研究将前沿电化学和成像技术相结合，基本能够理解孔隙在电池循环中形成，以及孔隙在电池枝晶生长以及电池故障中的作用。

研究固态电池的科学家面临两个挑战：1、当电池在充电和不充电状态之间循环时，需要防止枝晶生长。2、固体电解质和锂阳极（带负电荷的电极）在放电过程中会形成孔隙，导致电池两部分之间的接触面积减少。

使用两个普通电极的电池很难区分锂电镀和锂剥离的过程，因此该研究的研究人员采用了三极电池，分别研究了在锂金属/陶瓷界面处锂电镀和锂剥离过程对电池循环的影响，而且选用Li6PS5Cl作为固体电解质，此类硫化物的电导率比氧化物高，一些试图实现固态电池商业化的公司都将其作为电解质。与其他高导电性的硫化物相比，该硫化物不那么易碎。

研究人员发现，如果要避免在固态电池内形成枝晶，就需要在锂离子剥离（CCS）过程中，控制在关键电流密度之下（即开始形成孔隙的临界电流密度）进行电池循环。即使电流密度低于锂电镀过程中枝晶形成时的阈值，也是如此。当电流密度大于CCS时的电流密度，电池循环中会累积孔隙，固体电解质的接触面积相应减小，导致局部电流密度增大，直至形成枝晶，导致电池短路和故障。

虽然小型、不可二次充电的商用固态电池越来越多，例如用于心脏检测等医疗植入物等。但是，电动汽车需要量产的固态电池，以确保其能够在电动汽车使用寿命内安全运行，且达到可接受的性能水平，现在量产固态电池仍存在相当大的挑战。

目前电动汽车中采用的锂离子电池包含易燃有机液体电解质，在电池充放电过程中，携带电荷的锂离子会穿过电解质，此类液体存在安全隐患，将固态电解质取代液态电解质就可以消除火灾风险。

全世界的科学家都在努力研发新型电池化学物质，以让电池达到一定的性能（功率密度和能量密度），从而让电动汽车的驾驶体验与内燃机汽车的体验相当。研发具有锂金属阳极的先决条件就是消除液体电解质，从而显著提升电池性能。