手机和电动汽车都靠锂电池供电,但常用的液态锂电池存在安全隐患。为了解决这个问题,科研人员正在开发一种更安全的全固态电池。这种电池用固态电解质代替液态电解液,还能搭配具有更高能量密度的锂金属负极,让电池储能更多。不过,这种新电池也有个棘手的问题:固态电解质有时会突然短路,导致电池失效。
通过原位电镜观察发现,固态电池短路的原因主要与内部缺陷有关,比如晶界和孔洞。这个过程分为两步:先是软短路,后是硬短路。在软短路阶段,锂金属像树根一样沿着缺陷生长,形成临时的导电通道。这些通道会频繁出现,导致短路电流逐渐增大。此时,固态电解质就像被“训练”了一样,慢慢形成固定的导电通道。随着情况恶化,固态电解质最终彻底丧失绝缘能力,发生不可逆的硬短路。
在这个过程中,锂金属会像水银渗入金属一样,在微小裂缝中‘腐蚀’材料结构,导致脆裂扩散。最终,电池从暂时漏电的软短路彻底崩溃为永久的硬短路。此失效机制在多种无机固态电解质中普遍存在。
基于以上发现,科研人员利用具有弹性和绝缘性的聚合物网络,开发了一种新型的无机/有机复合固态电解质,有效抑制了固态电解质内部锂金属的析出和互连,从而有效避免了电池短路问题,大幅提高了电池的稳定性和安全性。