美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的研究人員揭示了電池失效的早期跡象。他們的研究涉及一種名為”軟短路”（soft-shorts）的情況，為研究界提供了寶貴的知識和方法，以便設計出更好的電動車（EV）電池。

阿貢團隊的研究重點是全固態電池，其陽極（負極）由鋰金屬製成。許多人將這種設備視為電池技術的”聖杯”。為什麼這麼說呢？因為鋰金屬可以在很小的空間內儲存大量電荷。這意味著，與傳統的石墨陽極鋰離子電池相比，它能讓電動車的行駛里程更長。

然而，鋰金屬會與傳統電池中的液態電解質高度反應，這給操作帶來了挑戰。電解質是在電池的兩個電極之間移動被稱為離子的帶電粒子的材料，可將儲存的能量轉化為電能。

正常工作的電池放電時，離子從陽極通過電解質流向陰極（正極），同時，電子從陽極流向外部設備（如手機或電動汽車馬達），然後返回陰極。電子流為設備供電。當電池充電時，電子流會反向流動。

鋰金屬的使用往往會破壞這個過程，在充電過程中，鋰枝晶會從陽極生長出來並滲入電解液。如果這些枝晶長得夠大並且一直延伸到陰極，它們就會在電極之間形成一條永久性的”導線”。最終，電池中的所有電子都會透過這條線從一個電極流向另一個電極，而不會流出電池為設備供電，這個過程也會阻止離子在電極之間流動。

「這就是所謂的內部短路，”阿貢博士後、團隊首席研究員邁克爾-坎尼漢（Michael Counihan）說，電池發生故障後就不再為設備供電。

將鋰金屬陽極置於固態電池中（換句話說，就是使用固態電解質的電池），有可能減少與枝晶相關的挑戰，同時也保留鋰的優點。

阿貢團隊正在開發一種用於電動車電池的新型固體電解質，並注意到了一種不尋常的行為。

“當我們在實驗室中操作電池時，我們觀察到了非常小、非常短暫的電壓波動，”Counihan 說。我們決定進行更深入的研究。

研究人員對電池進行了數百小時的反覆充電和放電，並測量了電壓等各種電氣參數。研究團隊確定，電池正在經歷軟短路，這是一種微小的暫時性短路。軟短路時，枝晶會從陽極向陰極生長。但增長量比永久短路時小。有些電子留在電池內部，有些則可能流向外部設備。電極之間的離子流可能會繼續流動。所有這些流動都會發生很大的變化。

研究小組與阿貢計算專家合作開發了模型，用於預測軟短路過程中的離子流和電子流數量。這些模型考慮到了枝晶尺寸和電解質特性等因素。

帶有軟短路的電池可以持續工作數小時、數天甚至數週。但阿貢研究小組發現，隨著時間的推移，枝晶的數量通常會增加，最終導致電池失效。

Counihan說：”軟短路是通往電池永久故障懸崖的第一步。”

動態行為

研究團隊的進一步研究發現，軟短路有非常動態的行為。它們往往在短短的微秒或毫秒內形成、消失和重組。

Counihan說：「這對電池研究人員來說是一個重要的啟示。在實驗室進行典型的電池測試時，研究人員可能每隔一分鐘左右才測量一次電壓。在這段時間裡，電池可能會錯過成千上萬軟短路的形成和死亡。它們就像一個個小幽靈，在不知不覺中破壞著電池。”

軟短路最常見的原因是發熱。當電子流經枝晶時，會產生熱量，類似於家用電器電線的發熱，熱量會迅速融化，尤其是在周圍電解液具有隔熱性能的情況下。

當枝晶與某些電解質發生反應時，軟短路就會溶解，阿貢研究小組正在研究的某些固體電解質會在枝晶到達陰極之前將其切斷，導致內部短路。

在對軟短路進行廣泛研究的過程中，阿貢團隊開發並展示了幾種檢測和分析軟短路現象的新方法。例如，一種方法可以量化軟短路對電池電流阻力的影響程度。由於不同的電池組件都可能造成這種阻力，因此分離出軟短路造成的阻力可以幫助研究人員更好地評估電池的健康狀況。

這項研究最近發表在《焦耳》（Joule）雜誌上，其中包括近20 種檢測和分析技術。其中約三分之一的方法來自該團隊最近的研究。研究報告的作者從研究界非正式的、未發表的知識中收集了其他方法。

Counihan說：”我們意識到，文獻中沒有一篇論文使用了其中兩種以上的技術。為了讓這份清單對研究人員更有用，我們加入了關於每種方法優缺點的信息。由於軟短線的動態性很強，因此對於研究人員來說，有很多工具可以使用，以便更好地了解軟短線的影響。”

研究團隊希望為世界各地的研究人員提供有關軟短路的見解，為他們的工作提供參考。例如，論文中的技術可以幫助推進阻止枝晶生長的硬固體電解質的設計。

Counihan說：”當研究人員了解電池中軟短路的動態時，他們就能更好地改進材料，避免這些失效途徑。”

參考文獻：Michael J. Counihan、Kanchan S. Chavan、Pallab Barai、Devon J. Powers、Yuepeng Zhang、Venkat Srinivasan 和Sanja Tepavcevic 合著的《固態電池研究中動態軟短路的幽靈威脅》，2023 年12 月6日，《焦耳》。

DOI: 10.1016/j.joule.2023.11.007

編譯來源：ScitechDaily