智慧型手機、電動車及無數便攜式電子產品都依賴電池。隨著對更佳儲能需求的增加，提升電池容量、壽命與安全性將在未來電氣化發展中扮演重要角色。其中最具潛力的技術之一是固態電池，這種電池可讓智慧型手機單次充電使用數天，並使電動車的續航力達到目前多數車款的三倍。
與傳統鋰離子電池使用液態電解質置於兩個固態電極間不同，固態電池以固態電解質取代液態。此設計帶來多項潛在優勢，包括更高的能量密度、更佳的安全性及更長的電池壽命。然而，一個頑固的問題阻礙了其商業化推廣：充電過程中，稱為枝晶的微小樹狀結構會從鋰陽極生長，刺穿固態電解質，造成內部短路。
現在，馬克斯普朗克永續材料研究所（MPI-SusMat）的一個跨領域團隊精確找出這些枝晶如何引發裂縫，最終導致電池失效。他們的研究成果發表於《自然》期刊。
枝晶如何破壞固態電池
軟質鋰枝晶如何突破硬質陶瓷電解質，一直是研究者的謎團。
「雖然電極與形成的枝晶均由鋰金屬組成，質地柔軟如軟糖，但枝晶卻能穿透陶瓷電解質，導致短路，」該研究首席作者、MPI-SusMat「電池材料化學力學」組組長張宇偉博士表示。「軟枝晶如何能使堅硬的固態陶瓷破裂？有兩種假說：一是枝晶內部累積應力，誘發固態電解質的機械破裂；二是電子沿固態電解質晶界滲漏，促進鋰核生成並相互連結。」
為驗證哪種說法正確，研究團隊採用先進的樣品製備與材料表徵技術，所有步驟均在真空及低溫環境下進行，以排除氧氣、水分及電子顯微鏡電子束的干擾。
團隊檢視了被困於裂縫中的鋰枝晶的內部應力與塑性變形，分析結果未發現枝晶尖端前方有鋰累積，排除其中一種機制。
「軟鋰金屬能穿透堅硬陶瓷電解質，就像連續水柱穿透岩石。我們計算出枝晶中的靜水壓應力最終導致固態電解質的脆性破裂，」張博士說。
研究人員也透過相場模擬與電子背散射繞射測量確認了結論。
防止電池失效的新策略
在深入了解枝晶如何破壞固態電解質後，團隊正著手研究阻止或延緩此過程的方法。
潛在解決方案包括使固態電解質更堅韌以延長抗裂時間、引入微小空隙以引導枝晶生長並將裂縫導離脆弱區域，或在鋰電極表面添加保護塗層以減少枝晶形成。
研究人員表示，他們的工作展現了理解材料微觀行為的重要性，這些洞見有助於將固態電池從有前景的概念轉化為未來智慧型手機、電動車及其他電子裝置的實用技術。
