帶有固體電解質的新型鋰金屬電池重量輕，易燃，可儲存大量能量，而且可以很快充電，但由於會發生不可預料的短路和故障，它們一直發展緩慢。現在，斯坦福大學和SLAC國家加速器實驗室的研究人員說他們已經解開了這個謎團，它被歸結為應力–更準確地說，是機械應力–特別是在電流較大的的充電過程中。

高級作者William Chueh解釋說，只要電池有輕微的壓痕、彎曲或扭曲，就會導致材料中的納米級裂縫打開，鋰就會侵入固體電解質中，導致其短路。即使是製造過程中引入的灰塵或其他雜質也能產生足夠的壓力導致故障，他與機械工程系助理教授Wendy Gu一起指導了這項研究。

藝術家渲染圖顯示，一個探針因施加壓力而彎曲，導致其中充滿了鋰的固體電解質斷裂。在右邊，探針沒有壓在電解質上，鋰板在陶瓷表面。資料來源：Cube3D

固體電解質失效的問題並不新鮮，許多人都研究過這種現象。關於到底是什麼原因的理論眾說紛紜。有些人說是電子的意外流動造成的，而其他人則指出是化學反應造成的。然而，還有人理論上認為是不同的力量在起作用。

在今天（1月30日）發表在《自然-能源》雜誌上的一項研究中，共同牽頭人Geoff McConohy、Xin Xu和Teng Cui通過嚴格的、具有統計學意義的實驗解釋了納米級缺陷和機械應力如何導致固體電解質失效。世界各地試圖開發新的固體電解質可充電電池的科學家們可以圍繞這個問題進行設計，甚至將這一發現轉化為他們的優勢，正如這個斯坦福大學團隊的大部分人現在正在研究的那樣。能量密集、快速充電、不易燃的鋰金屬電池能夠持續很長時間，可以克服廣泛使用電動汽車的主要障礙，還有許多其他好處。

今天許多領先的固體電解質是陶瓷的。它們能夠實現鋰離子的快速傳輸，並將儲存能量的兩個電極物理分離。最重要的是，它們是防火的。但是，就像我們家裡的陶瓷一樣，它們的表面會出現微小的裂縫。

研究人員通過60多個實驗證明，陶瓷經常被注入納米級的裂縫、凹痕和裂紋，許多裂紋的寬度不到20納米。(Chueh和他的團隊說，在快速充電期間，這些固有的裂縫會打開，允許鋰侵入。

一段掃描電子顯微鏡視頻，顯示了在固體電解質上發生的鍍鋰過程

在每個實驗中，研究人員將一個電探針施加到固體電解質上，形成一個微型電池，並使用電子顯微鏡實時觀察快速充電。隨後，他們用離子束作為”手術刀”，了解為什麼鋰在某些地方如願以償地聚集在陶瓷表面，而在其他地方則開始鑽入，越鑽越深，直到鋰在固體電解質上搭橋，形成短路。

差異在於壓力。當電探針僅僅接觸到電解質的表面時，即使電池在不到一分鐘內被充電，鋰也會聚集在電解質上面。然而，當探針壓入陶瓷電解質，模仿壓痕、彎曲和扭曲的機械應力時，電池短路的可能性更大。

現實世界中的固態電池是由一層又一層的陰極-電解質-陽極片疊加而成。電解液的作用是將陰極和陽極物理隔離，但允許鋰離子在兩者之間自由移動。如果陰極和陽極以任何方式接觸或電性連接，如通過金屬鋰的隧道，就會發生短路。

正如Chueh和團隊所展示的那樣，即使是細微的彎曲、輕微的扭曲，或夾在電解質和鋰陽極之間的灰塵斑點，都會造成難以察覺的縫隙。

McConohy說：”如果有機會鑽進電解質，鋰最終會蜿蜒穿過，連接陰極和陽極。當這種情況發生時，電池就會失效。”

Xin Xu、Teng Cui和Geoff McConohy – 這項新研究的共同主要作者坐在用於這項研究的聚焦離子束/掃描電子顯微鏡前

他們使用掃描電子顯微鏡記錄了這一過程的視頻–正是這些顯微鏡無法看到未經測試的純電解質中的新生裂縫。這有點像原本完美的路面上出現坑洞的方式。通過雨和雪，汽車輪胎將水打入路面上預先存在的微小缺陷中，產生不斷擴大的裂縫，並隨著時間的推移而增長。鋰實際上是一種軟材料，但是，就像坑洞中的水一樣，它所需要的只是壓力來擴大差距並導致故障。

有了他們的新認識，Chueh的團隊正在研究如何在製造過程中有意使用這些相同的機械力來強化材料，就像鐵匠在生產過程中對刀片進行退火。他們還在研究如何在電解質表面塗上一層塗層，以防止出現裂縫或在出現裂縫時對其進行修復。