固态电池为何频繁失效？麻省理工学院与慕尼黑工业大学研究人员找到了答案
下一代电池采用新型电解质材料，理论上可实现远超现有锂离子电池的能量密度，同时规避诸多安全隐患。然而，使用固态或准固态电解质的先进电池长期受到一个顽疾困扰——锂金属细丝状突起（即"枝晶"）的生长，导致电池效率下降乃至失效。
枝晶的形成机制至今仍存争议。以往研究大多聚焦于电解质与电极之间的界面，但另一个潜在根源同样不容忽视：固态材料中两个电解质晶粒相交处形成的"晶界"。研究人员早已知晓晶界可能在电解质内部诱发枝晶，但相关机制一直难以深入研究。
如今，麻省理工学院与慕尼黑工业大学的研究团队揭开了晶界导致枝晶生长的内在原因：晶界处隐藏的电荷失衡影响了电解质的导电方式，进而改变了电池充放电过程中离子与电子在材料中的迁移行为。相关论文已于近日发表在《自然·纳米技术》期刊上。研究人员对晶界的电学与化学行为进行了系统表征，并证明通过调整电解质的制备工艺，可以促进离子迁移、减少电子泄漏。这一调整使临界电流密度提升逾300%，有望实现充电更快、寿命更长的固态电池。
"晶界就像天气一样——人人都在谈论，却没人真正去解决，"论文通讯作者、麻省理工学院材料科学与工程系教授哈里·塔勒说，"在这篇论文里，我们决定正面应对晶界问题，并通过实际行动证明了其对电池性能的重要影响。"
参与本研究的作者还包括：第一作者朱贤元（2025届博士）；前麻省理工学院教授、慕尼黑工业大学电化学材料讲席教授詹妮弗·鲁普（本研究负责人及通讯作者）；慕尼黑工业大学研究人员瓦尔德马尔·凯泽、卢卡斯·沃尔茨、弗兰·库尔尼亚、金坤中、大卫·埃格尔和约翰娜·艾希霍恩；托马斯·德费里埃尔（2022届博士）；威利斯·奥利里（2024届博士）；以及安特卫普大学研究人员普罗洛伊·南迪、约翰·费尔贝克、萨拉·巴尔斯和托马斯·阿尔坦齐斯。
深入探究晶界
鲁普研究团队多年来持续研究下一代电解质材料的行为特性（该团队在研究期间已从麻省理工学院迁至慕尼黑工业大学）。固态电池中的电解质由大量微小晶体紧密堆积而成。
"我们所说的'晶粒'，就像一粒盐，本质上是单晶，但尺寸可能只有1微米左右，"塔勒解释道，"在高温处理过程中，优质材料基本上会致密化，几乎消除孔隙，密度接近100%，但每个晶粒与相邻晶粒之间仍由晶界分隔。"
固态电池研究人员越来越多地将晶界视为锂金属枝晶的发源地——正是枝晶导致了电池短路。研究人员此前已怀疑晶界具有不同于晶粒本体的化学和电学特性，这些特性会干扰电池充放电过程中在两极间穿梭的离子和电子。然而，晶界究竟如何阻碍离子迁移、造成电子泄漏并最终诱发枝晶，其具体机制一直不明。
"晶界就像缺陷，"塔勒说，"晶界处的缺陷浓度高于晶粒内部，这通常意味着当电荷载体——无论是电子还是离子——接近晶界时，都会遭遇某种阻碍。"
为深入理解这种干扰效应，研究人员建立了一个模型，用以解释晶界处局部电荷失衡如何改变锂离子和电子载流子的迁移行为。他们以一种常见固态电解质材料——锂镧锆氧化物（LLZO）——为研究对象，综合运用电子显微镜、机器学习建模以及电化学阻抗谱（用于测量电荷在材料中的传导难易程度）等技术手段对模型进行验证。
研究发现，晶界核心区域携带局部电荷，形成局部电场，导致离子阻抗升高，同时造成电子在晶界区域积聚。这些积聚的电子会还原锂离子，从而引发锂金属枝晶的生长。
"过去30年，锂离子电池主导着整个行业，但人们越来越认识到，不同应用场景需要其他类型的电池，"鲁普表示，"这项研究让我们从根本上理解了晶界处的空间电荷界面。一旦真正理解这一机制，我们就能提出工程化方案，延长循环寿命、提升界面处离子相对于电子的传输效率，最终造出更好的电池。"
改进电池材料
研究人员将上述发现应用于LLZO电解质材料的制备工艺优化，通过降低晶界处的负电荷，实现了锂离子迁移的顺畅化和电子泄漏的有效抑制。
经过改进，所制备的电解质临界电流密度比基准样品提高了300%以上。更高的电流密度意味着更快的充放电速度，同时也有助于延缓短路发生，从而延长电池使用寿命。
"电池起火目前是行业面临的重大问题，"鲁普说，"通过展示如何以可控方式调控这些空间电荷——这在该领域尚属首次——我们有望在安全性方面产生重大影响。这是一种全新的调控手段，能让电池充电更快、使用更持久。"
上述研究成果及工程化实践，为电池研究人员加速开发高性能、长寿命固态电池提供了清晰的路线图。
"我们证明了可以通过控制枝晶的萌生来最大化固态电池的高性能表现，"朱贤元说，"在这篇论文中，我们从枝晶形成的理论假设出发，通过材料表征验证理论，再通过工程化手段将研究成果付诸实践，切实提升了电池性能。"
本研究部分获得美国国家科学基金会及美国国土安全部的资助支持。
Q&A
Q1：固态电池中的枝晶是如何形成的？
A：枝晶的形成与固态电解质中的晶界密切相关。晶界核心区域携带局部电荷，形成局部电场，导致离子阻抗升高，同时造成电子在晶界区域积聚。这些积聚的电子会还原锂离子，进而生成锂金属枝晶。枝晶一旦形成，会导致电池效率下降，严重时引发短路失效。
Q2：麻省理工学院的研究如何提升固态电池性能？
A：研究团队通过调整锂镧锆氧化物（LLZO）电解质的制备工艺，降低了晶界处的负电荷积聚，从而促进锂离子迁移并减少电子泄漏。经过优化的电解质临界电流密度比基准样品提升逾300%，意味着电池可以充电更快、使用寿命更长，同时降低起火风险。
Q3：这项固态电池研究对实际应用有什么意义？
A：这项研究首次从机理层面阐明了晶界空间电荷对固态电池性能的影响，并提供了可工程化实施的解决方案。对行业而言，这意味着可以通过工艺调控来延长电池循环寿命、提升安全性，为电动汽车、储能等领域的下一代高性能固态电池开发提供了明确的技术路径。
