固態電池為何頻繁失效？麻省理工學院與慕尼黑工業大學研究人員找到了答案
下一代電池采用新型電解質材料，理論上可實現遠超現有鋰離子電池的能量密度，同時規避諸多安全隱患。然而，使用固態或準固態電解質的先進電池長期受到一個頑疾困擾——鋰金屬細絲狀突起（即"枝晶"）的生長，導致電池效率下降乃至失效。
枝晶的形成機制至今仍存爭議。以往研究大多聚焦于電解質與電極之間的界面，但另一個潛在根源同樣不容忽視：固態材料中兩個電解質晶粒相交處形成的"晶界"。研究人員早已知曉晶界可能在電解質內部誘發枝晶，但相關機制一直難以深入研究。
如今，麻省理工學院與慕尼黑工業大學的研究團隊揭開了晶界導致枝晶生長的內在原因：晶界處隱藏的電荷失衡影響了電解質的導電方式，進而改變了電池充放電過程中離子與電子在材料中的遷移行為。相關論文已于近日發表在《自然·納米技術》期刊上。研究人員對晶界的電學與化學行為進行了系統表征，并證明通過調整電解質的制備工藝，可以促進離子遷移、減少電子泄漏。這一調整使臨界電流密度提升逾300%，有望實現充電更快、壽命更長的固態電池。
"晶界就像天氣一樣——人人都在談論，卻沒人真正去解決，"論文通訊作者、麻省理工學院材料科學與工程系教授哈里·塔勒說，"在這篇論文里，我們決定正面應對晶界問題，并通過實際行動證明了其對電池性能的重要影響。"
參與本研究的作者還包括：第一作者朱賢元（2025屆博士）；前麻省理工學院教授、慕尼黑工業大學電化學材料講席教授詹妮弗·魯普（本研究負責人及通訊作者）；慕尼黑工業大學研究人員瓦爾德馬爾·凱澤、盧卡斯·沃爾茨、弗蘭·庫爾尼亞、金坤中、大衛·埃格爾和約翰娜·艾希霍恩；托馬斯·德費里埃爾（2022屆博士）；威利斯·奧利里（2024屆博士）；以及安特衛普大學研究人員普羅洛伊·南迪、約翰·費爾貝克、薩拉·巴爾斯和托馬斯·阿爾坦齊斯。
深入探究晶界
魯普研究團隊多年來持續研究下一代電解質材料的行為特性（該團隊在研究期間已從麻省理工學院遷至慕尼黑工業大學）。固態電池中的電解質由大量微小晶體緊密堆積而成。
"我們所說的'晶粒'，就像一粒鹽，本質上是單晶，但尺寸可能只有1微米左右，"塔勒解釋道，"在高溫處理過程中，優質材料基本上會致密化，幾乎消除孔隙，密度接近100%，但每個晶粒與相鄰晶粒之間仍由晶界分隔。"
固態電池研究人員越來越多地將晶界視為鋰金屬枝晶的發源地——正是枝晶導致了電池短路。研究人員此前已懷疑晶界具有不同于晶粒本體的化學和電學特性，這些特性會干擾電池充放電過程中在兩極間穿梭的離子和電子。然而，晶界究竟如何阻礙離子遷移、造成電子泄漏并最終誘發枝晶，其具體機制一直不明。
"晶界就像缺陷，"塔勒說，"晶界處的缺陷濃度高于晶粒內部，這通常意味著當電荷載體——無論是電子還是離子——接近晶界時，都會遭遇某種阻礙。"
為深入理解這種干擾效應，研究人員建立了一個模型，用以解釋晶界處局部電荷失衡如何改變鋰離子和電子載流子的遷移行為。他們以一種常見固態電解質材料——鋰鑭鋯氧化物（LLZO）——為研究對象，綜合運用電子顯微鏡、機器學習建模以及電化學阻抗譜（用于測量電荷在材料中的傳導難易程度）等技術手段對模型進行驗證。
研究發現，晶界核心區域攜帶局部電荷，形成局部電場，導致離子阻抗升高，同時造成電子在晶界區域積聚。這些積聚的電子會還原鋰離子，從而引發鋰金屬枝晶的生長。
"過去30年，鋰離子電池主導著整個行業，但人們越來越認識到，不同應用場景需要其他類型的電池，"魯普表示，"這項研究讓我們從根本上理解了晶界處的空間電荷界面。一旦真正理解這一機制，我們就能提出工程化方案，延長循環壽命、提升界面處離子相對于電子的傳輸效率，最終造出更好的電池。"
改進電池材料
研究人員將上述發現應用于LLZO電解質材料的制備工藝優化，通過降低晶界處的負電荷，實現了鋰離子遷移的順暢化和電子泄漏的有效抑制。
經過改進，所制備的電解質臨界電流密度比基準樣品提高了300%以上。更高的電流密度意味著更快的充放電速度，同時也有助于延緩短路發生，從而延長電池使用壽命。
"電池起火目前是行業面臨的重大問題，"魯普說，"通過展示如何以可控方式調控這些空間電荷——這在該領域尚屬首次——我們有望在安全性方面產生重大影響。這是一種全新的調控手段，能讓電池充電更快、使用更持久。"
上述研究成果及工程化實踐，為電池研究人員加速開發高性能、長壽命固態電池提供了清晰的路線圖。
"我們證明了可以通過控制枝晶的萌生來最大化固態電池的高性能表現，"朱賢元說，"在這篇論文中，我們從枝晶形成的理論假設出發，通過材料表征驗證理論，再通過工程化手段將研究成果付諸實踐，切實提升了電池性能。"
本研究部分獲得美國國家科學基金會及美國國土安全部的資助支持。
Q&A
Q1：固態電池中的枝晶是如何形成的？
A：枝晶的形成與固態電解質中的晶界密切相關。晶界核心區域攜帶局部電荷，形成局部電場，導致離子阻抗升高，同時造成電子在晶界區域積聚。這些積聚的電子會還原鋰離子，進而生成鋰金屬枝晶。枝晶一旦形成，會導致電池效率下降，嚴重時引發短路失效。
Q2：麻省理工學院的研究如何提升固態電池性能？
A：研究團隊通過調整鋰鑭鋯氧化物（LLZO）電解質的制備工藝，降低了晶界處的負電荷積聚，從而促進鋰離子遷移并減少電子泄漏。經過優化的電解質臨界電流密度比基準樣品提升逾300%，意味著電池可以充電更快、使用壽命更長，同時降低起火風險。
Q3：這項固態電池研究對實際應用有什么意義？
A：這項研究首次從機理層面闡明了晶界空間電荷對固態電池性能的影響，并提供了可工程化實施的解決方案。對行業而言，這意味著可以通過工藝調控來延長電池循環壽命、提升安全性，為電動汽車、儲能等領域的下一代高性能固態電池開發提供了明確的技術路徑。
