固態電解質失效、固態電池短路如何破解？

主流的固態電解質包括硫化物、氧化物、聚合物和鹵化物等，在與鋰金屬或高電壓正極接觸時，通常會表現出熱力學不穩定性或可發生的動力學分解反應。這些反應在界面處產生的混合導電相或高電阻相，不僅直接阻礙鋰離子的傳輸，還常伴隨顯著的體積變化和局部結構重構。在受嚴格約束的電池結構中，這種化學膨脹無法通過自由變形來適應，最終轉化為應力集中和微裂紋的產生，從而引發電解質顆粒斷裂或界面剝離，造成固態電池短路。

固態電池突發短路成因

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究員王春陽聯合國際團隊，利用原位透射電鏡技術在納米尺度揭開了固態電池突發短路成因。

王春陽團隊用原位透射電鏡觀察發現，固態電解質內部缺陷（如晶界、孔洞等）誘導的鋰金屬析出和互連形成的電子通路直接導致了固態電池的短路，這一過程分為兩個階段：軟短路和硬短路。軟短路源于納米尺度上鋰金屬的析出與瞬時互連，這時的鋰金屬就像樹根一樣沿著晶界、孔洞等缺陷生長，形成瞬間導電通路，即軟短路。伴隨著軟短路的高頻發生和短路電流增加，固態電解質最終徹底喪失絕緣能力，引發不可逆的硬短路。

固態電解質中的軟短路-硬短路轉變機制示意圖以及其抑制機理

基于這些發現，研究團隊利用具有機械柔性且電子絕緣的三維聚合物網絡，發展了“剛柔并濟”的無機-有機復合固態電解質，有效抑制了固態電解質內部的鋰金屬析出、互連及其誘發的短路失效。

該研究通過闡明固態電解質的軟短路-硬短路轉變機制及其與析鋰動力學的內在關聯，為固態電解質的納米尺度失效機理提供了全新認知，為新型固態電池的開發提供了新的理論依據。

固態電解質失效設計策略

鋰枝晶穿透固態電解質的現象，被歸因于兩種不同的失效機制。一種機制認為，鋰枝晶內部積累的內壓會引起固態電解質發生機械斷裂，從而使枝晶得以擴展并最終導致電池短路。另一種機制則指出，電子沿固體電解質晶界的泄漏促進了孤立鋰核的形成，這些鋰核隨后相互連接并造成電池短路。

德國馬克斯·普朗克可持續材料研究所Gerhard Dehm教授、張宇威、劉傳來等人通過使用模型電池設計以及一套低溫電子顯微鏡儀器，報道了固態電解質中發生的沿晶和穿晶斷裂事件，并且在枝晶尖端觀察到鋰完全填充了納米尺度的裂紋。通過冷凍掃描透射電子顯微鏡，在枝晶尖端前方未檢測到孤立的鋰核。

研究團隊基于機理研究提出以下設計策略：

1、提高晶界抗斷裂能力，裂紋常常沿晶界偏轉，即使這會降低裂紋擴展的驅動力。這種行為反映出晶界處的抗斷裂能力不足（比基體的抗斷裂能力弱3-5倍）。已有報道稱，摻雜等策略可以增強晶界。

2、提高固體電解質的斷裂韌性，枝晶尖端附近缺乏位錯活動，凸顯了石榴石型電解質本質上易碎的特性，以及其在鋰枝晶穿透過程中通過塑性變形松弛應力的能力有限。通過位錯激活或剪切流等機制提高斷裂韌性，可以促進應力耗散并延緩鋰沉積過程中的裂紋擴展。   

3、機械引導的枝晶擴展重定向，垂直于枝晶擴展方向排列的橫向孔隙能夠改變枝晶的生長路徑，從而防止短路。這一概念驗證表明，引入局部缺陷（如孔隙、裂紋或弱界面）可以有效影響枝晶的擴展路徑。為了在薄型固體電解質隔膜（理想情況下薄至約20 μm）中實現這一概念，多層固體電解質中的界面有可能被用作機械薄弱區域來重定向枝晶擴展。

固態電池商業化的挑戰

盡管固態電池在短路防控與電解質失效機制研究方面取得了顯著進展，但要實現商業化應用，仍面臨三大核心挑戰。

其一，電解質的規模化制備難題，目前實驗室層面的電解質制備工藝（如原位燒結、溶液澆鑄等）難以滿足大規模生產的需求，且制備成本較高，例如硫化物電解質的制備需在惰性氣體保護下進行，增加了生產難度與成本，未來需開發低成本、易規模化的制備技術。

其二，電池界面相容性問題，固態電解質與正極、負極的界面接觸電阻仍較高，且在長期循環過程中易發生界面剝離，導致電池性能衰減，這就需要進一步優化界面修飾技術，例如通過在電解質與電極之間引入緩沖層，改善界面接觸狀態，降低接觸電阻。

其三，安全性與穩定性的長期驗證，固態電池雖解決了液態電池的漏液問題，但在高溫、高壓等極端條件下，仍可能出現電解質分解、鋰枝晶穿透等問題，需建立完善的長期可靠性測試體系，確保電池在全生命周期內的安全性。

信息來源：

楊世春等.全固態電池的失效機制與故障演變：從材料到電池級退化

中外科研人員合作揭開固態電池短路成因.中國國際科技交流中心

今日Nature：固態電解質失效機制重新理解.能源學人

中國粉體網、先進能源材料、儲能科學與技術

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