牛津大學的研究人員發現了鋰金屬固態電池(Li-SSB) 失效的原因，這可能為改進電動汽車電池鋪平道路。該團隊發現“枝晶”的形成和生長會導致電池短路，這些見解可能有助於解決固態電池開發中的技術障礙。

牛津大學研究人員領導的一項新研究於6 月7 日發表在《自然》雜誌上，這要歸功於顯著改進的電動汽車(EV) 電池可能更近一步。使用先進的成像技術揭示了導致鋰金屬固態電池(Li-SSB) 失效的機制。如果可以克服這些問題，使用鋰金屬陽極的固態電池可以在電動汽車電池續航里程、安全性和性能方面實現階躍式改進，並有助於推動電動航空的發展。

該研究的共同主要作者之一、牛津大學材料系博士生Dominic Melvin 表示：“用鋰金屬陽極開發固態電池是電池技術進步面臨的最重要挑戰之一。雖然今天的鋰離子電池將繼續改進，但對固態電池的研究有可能獲得高回報和改變遊戲規則的技術。”

Li-SSB 與其他電池不同，因為它們用固體電解質代替了傳統電池中易燃的液體電解質，並使用鋰金屬作為陽極（負極）。固體電解質的使用提高了安全性，而鋰金屬的使用意味著可以儲存更多的能量。然而，Li-SSB 面臨的一個關鍵挑戰是，由於“枝晶”的生長，它們在充電時容易發生短路：鋰金屬細絲會穿透陶瓷電解質。作為法拉第研究所SOLBAT 項目的一部分，牛津大學材料、化學和工程科學系的研究人員領導了一系列深入調查，以更多地了解這種短路是如何發生的。

X 射線計算機斷層掃描圖像顯示充電過程中固態電池內鋰枝晶裂紋的逐漸生長。圖片來源：Dominic Melvin，《自然》，2023 年。

在這項最新研究中，該小組在Diamond Light Source 使用了一種稱為X 射線計算機斷層掃描的先進成像技術，以前所未有的細節可視化充電過程中的枝晶引發的失效。新的成像研究表明，枝晶裂紋的萌生和傳播是獨立的過程，由不同的潛在機制驅動。當鋰在次表層孔隙中積累時，枝晶裂紋就開始了。當孔變滿時，電池的進一步充電會增加壓力，導致破裂。相比之下，傳播發生在鋰僅部分填充裂縫的情況下，通過楔形開口機制驅動裂縫從後面打開。

這種新的理解為克服Li-SSB 的技術挑戰指明了方向。Dominic Melvin 說：“例如，雖然鋰陽極的壓力可以很好地避免放電時在與固體電解質的界面處形成間隙，但我們的結果表明，壓力過大可能是有害的，使枝晶生長和短路更有可能充電。”

Wolfson Chair、牛津大學材料學教授、法拉第研究所首席科學家、該研究的通訊作者彼得·布魯斯爵士說：“鋰等軟金屬穿透高密度硬陶瓷的過程事實證明，電解質具有挑戰性，世界各地的優秀科學家做出了許多重要貢獻。 我們希望我們獲得的額外見解將有助於固態電池研究朝著實用設備的方向發展。”

根據法拉第研究所最近的一份報告，到2040 年，SSB 可以滿足全球消費電子產品電池需求的50%、交通運輸領域的30% 和飛機的10% 以上的需求。

法拉第研究所首席執行官Pam Thomas 教授說：“SOLBAT 研究人員繼續發展對固態電池失效的機理理解——這是在汽車應用中實現具有商業相關性能的高功率電池之前需要克服的一個障礙。 該項目正在告知電池製造商可能用來避免該技術電池故障的策略。 這項以應用為靈感的研究是法拉第研究所旨在推動的科學進步類型的一個典型例子。”