中科院研究揭示固态电解质纳米尺度失效机制

全固态锂电池凭借其固态电解质替代传统液态电解液，并兼容高能量密度锂金属负极的特点，展现出超越普通锂离子电池的安全性和能量密度优势。同时，它还能适应极端温度环境，如极寒或酷热条件。不过，现阶段固态电解质自身的锂离子传导性能及析锂（即锂离子在电解质中因电子得失而还原沉积）引发的短路问题是阻碍其发展的核心难题之一。由于当前光学显微镜、扫描电镜和同步辐射x光成像技术的空间分辨率限制，固态电解质短路失效的微观机制尚未完全明了。

近期，中科院金属所的王春阳研究员与美国加州大学尔湾分校的忻获麟教授、麻省理工学院的李巨教授合作，在全固态电池的失效机制研究领域取得了突破性成果。他们运用先进的原位透射电镜技术，在纳米尺度上揭示了无机固态电解质中软短路向硬短路转变的过程及其背后的析锂机制。

研究发现，固态电解质内部的结构缺陷（例如晶界、空隙等）会促使锂金属沉积并形成连续的电子通道，从而引发电池短路现象。这一过程可分为软短路和硬短路两个阶段：软短路表现为动态可逆的非法拉第电子击穿；随着软短路频率上升及短路电流增大，固态电解质逐渐由电子绝缘体转变为类似忆阻器的非线性导电体，最终导致硬短路的发生。在此过程中，缺陷诱导的纳米级锂沉积与“浸润”作用使多晶固态电解质出现类似于液态金属的脆性断裂，这正是软短路转化为硬短路的根本原因。进一步实验表明，这种失效模式适用于NASICON型和石榴石型无机固态电解质。

基于此研究成果，研究团队设计了一种结合三维电子绝缘且具备机械弹性的聚合物网络的无机-有机复合固态电解质，成功抑制了固态电解质内锂金属的异常析出、互联以及由此产生的短路失效问题，大幅提高了其电化学稳定性。

这项工作不仅深化了人们对固态电解质短路失效机制的理解，还为未来开发高性能固态电解质提供了重要的科学指导。研究成果已发表于《美国化学会志》（JACS），题为《Inorganic Solid-State Electrolytes中软短路到硬短路转变的纳米尺度起源》。

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无机固态电解质软短路至硬短路转变机制示意图及其抑制策略

原位透射电镜观测锂金属析出引起的固态电解质短路现象

软短路至硬短路转变的动力学过程及伴随的短路电流变化

有机-无机复合固态电解质中稳定的锂离子传输特性

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 2025-05-26