量產(chǎn)固態(tài)電池仍存在相當(dāng)大的挑戰(zhàn) 新型電池化學(xué)物質(zhì)將顯著提升電池性能

據(jù)外媒報(bào)道，全固態(tài)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(guān)注。如果固態(tài)電池能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，將能夠給電動(dòng)汽車（EV）行業(yè)帶來革命性的變化，因?yàn)槠淇捎行г黾与妱?dòng)汽車的續(xù)航里程，以及可以顯著降低電動(dòng)汽車體積和重量。但是，固態(tài)電池在實(shí)際電流下循環(huán)（反復(fù)充放電）后會發(fā)生故障，這也是阻礙其實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的障礙之一。

（圖片來源：自然科學(xué)雜志）

不過，英國牛津大學(xué)（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(tài)電池出現(xiàn)故障的機(jī)制（是避免其出現(xiàn)此類故障的必要前提）。電池在充電時(shí)，鋰離子還原時(shí)形成的樹枝狀金屬鋰就是枝晶，會穿過固態(tài)、陶瓷和電解質(zhì)繼續(xù)蔓延，從而導(dǎo)致電池短路。

很久之前，研究人員就知道固態(tài)電池的陽極會產(chǎn)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(xué)和成像技術(shù)相結(jié)合，基本能夠理解孔隙在電池循環(huán)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(tài)電池的科學(xué)家面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：1、當(dāng)電池在充電和不充電狀態(tài)之間循環(huán)時(shí)，需要防止枝晶生長。2、固體電解質(zhì)和鋰陽極（帶負(fù)電荷的電極）在放電過程中會形成孔隙，導(dǎo)致電池兩部分之間的接觸面積減少。

使用兩個(gè)普通電極的電池很難區(qū)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(huán)的影響，而且選用Li6PS5Cl作為固體電解質(zhì)，此類硫化物的電導(dǎo)率比氧化物高，一些試圖實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池商業(yè)化的公司都將其作為電解質(zhì)。與其他高導(dǎo)電性的硫化物相比，該硫化物不那么易碎。

研究人員發(fā)現(xiàn)，如果要避免在固態(tài)電池內(nèi)形成枝晶，就需要在鋰離子剝離（CCS）過程中，控制在關(guān)鍵電流密度之下（即開始形成孔隙的臨界電流密度）進(jìn)行電池循環(huán)。即使電流密度低于鋰電鍍過程中枝晶形成時(shí)的閾值，也是如此。當(dāng)電流密度大于CCS時(shí)的電流密度，電池循環(huán)中會累積孔隙，固體電解質(zhì)的接觸面積相應(yīng)減小，導(dǎo)致局部電流密度增大，直至形成枝晶，導(dǎo)致電池短路和故障。

雖然小型、不可二次充電的商用固態(tài)電池越來越多，例如用于心臟檢測等醫(yī)療植入物等。但是，電動(dòng)汽車需要量產(chǎn)的固態(tài)電池，以確保其能夠在電動(dòng)汽車使用壽命內(nèi)安全運(yùn)行，且達(dá)到可接受的性能水平，現(xiàn)在量產(chǎn)固態(tài)電池仍存在相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

目前電動(dòng)汽車中采用的鋰離子電池包含易燃有機(jī)液體電解質(zhì)，在電池充放電過程中，攜帶電荷的鋰離子會穿過電解質(zhì)，此類液體存在安全隱患，將固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)就可以消除火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

全世界的科學(xué)家都在努力研發(fā)新型電池化學(xué)物質(zhì)，以讓電池達(dá)到一定的性能（功率密度和能量密度），從而讓電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)與內(nèi)燃機(jī)汽車的體驗(yàn)相當(dāng)。研發(fā)具有鋰金屬陽極的先決條件就是消除液體電解質(zhì)，從而顯著提升電池性能。