中國粉體網訊 全固態電池是一種所有部件都是固體的電池，由于其能夠存儲更多能量，而且具備操作更安全的潛力，已成為替代鋰離子電池的下一代電池，受到了人們的關注。如果固態電池能夠實現量產，將能夠給電動汽車（EV）行業帶來革命性的變化，因為其可有效增加電動汽車的續航里程，以及可以顯著降低電動汽車體積和重量。但是，固態電池在實際電流下循環（反復充放電）后會發生故障，這也是阻礙其實現大規模商業化的障礙之一。
（圖片來源：自然科學雜志）
不過，英國牛津大學（the University of Oxford）法拉第研究所（Faraday Institution）的研究人員采取了措施，了解了固態電池出現故障的機制（是避免其出現此類故障的必要前提）。電池在充電時，鋰離子還原時形成的樹枝狀金屬鋰就是枝晶，會穿過固態、陶瓷和電解質繼續蔓延，從而導致電池短路。
很久之前，研究人員就知道固態電池的陽極會產生孔隙，但是人們還沒有理解此類孔隙在枝晶形成過程中的作用。該研究將前沿電化學和成像技術相結合，基本能夠理解孔隙在電池循環中形成，以及孔隙在電池枝晶生長以及電池故障中的作用。
研究固態電池的科學家面臨兩個挑戰：1、當電池在充電和不充電狀態之間循環時，需要防止枝晶生長。2、固體電解質和鋰陽極（帶負電荷的電極）在放電過程中會形成孔隙，導致電池兩部分之間的接觸面積減少。
使用兩個普通電極的電池很難區分鋰電鍍和鋰剝離的過程，因此該研究的研究人員采用了三極電池，分別研究了在鋰金屬/陶瓷界面處鋰電鍍和鋰剝離過程對電池循環的影響，而且選用Li6PS5Cl作為固體電解質，此類硫化物的電導率比氧化物高，一些試圖實現固態電池商業化的公司都將其作為電解質。與其他高導電性的硫化物相比，該硫化物不那么易碎。
研究人員發現，如果要避免在固態電池內形成枝晶，就需要在鋰離子剝離（CCS）過程中，控制在關鍵電流密度之下（即開始形成孔隙的臨界電流密度）進行電池循環。即使電流密度低于鋰電鍍過程中枝晶形成時的閾值，也是如此。當電流密度大于CCS時的電流密度，電池循環中會累積孔隙，固體電解質的接觸面積相應減小，導致局部電流密度增大，直至形成枝晶，導致電池短路和故障。
雖然小型、不可二次充電的商用固態電池越來越多，例如用于心臟檢測等醫療植入物等。但是，電動汽車需要量產的固態電池，以確保其能夠在電動汽車使用壽命內安全運行，且達到可接受的性能水平，現在量產固態電池仍存在相當大的挑戰。
目前電動汽車中采用的鋰離子電池包含易燃有機液體電解質，在電池充放電過程中，攜帶電荷的鋰離子會穿過電解質，此類液體存在安全隱患，將固態電解質取代液態電解質就可以消除火災風險。
全世界的科學家都在努力研發新型電池化學物質，以讓電池達到一定的性能（功率密度和能量密度），從而讓電動汽車的駕駛體驗與內燃機汽車的體驗相當。研發具有鋰金屬陽極的先決條件就是消除液體電解質，從而顯著提升電池性能。
（中國粉體網編輯整理/墨玉）
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