下一代电池利用新型电解质材料，可以实现比当前锂离子电池更高的能量密度，且安全性更高。然而，使用固态或几乎固态电解质的先进电池面临着锂金属微小尖刺（树枝晶）的形成，这使电池效率下降并最终失效。树枝晶的形成机制仍在争论中。虽然电池电解质与电极的界面是研究的重点，但另一个原因是固态材料中两个电解质晶粒相遇的边界。
研究人员知道这些边界可以在电解质中诱发树枝晶，但其影响一直难以研究。现在，麻省理工学院和慕尼黑工业大学的研究人员揭示了这些边界为何会导致树枝晶的原因：隐藏的电气不平衡影响电解质的电荷导电性，从而影响离子和电子在电池操作期间在材料中的移动。
在《Nature Nanotechnology》上发表的论文中，研究人员表征了边界的电气和化学行为，并显示调整电解质的处理方式可以增强离子的移动，同时减少电子泄漏。这种调整可以使临界电流密度提高超过300%，从而实现更快充电和更长使用寿命的固态电池。
麻省理工学院材料科学与工程系教授哈里·图勒表示：“晶粒边界就像天气：每个人都在谈论它，但没有人去做什么。在这篇论文中，我们决定对晶粒边界采取行动，通过行动我们展示了性能的改善，并更广泛地证明了晶粒边界的重要性。”
Rupp的研究小组多年来一直在研究下一代电解质材料的行为。固态电池中的电解质由许多微小的材料晶体紧密堆积而成。“我们所称的晶粒，如盐粒，实际上是一个单晶体，但它的大小可能只有1微米左右，”图勒解释道。
在高温加工过程中，最佳材料基本上会合并成无孔或几乎无孔的状态，密度接近100%。但是，这些晶体之间被晶粒边界分隔。固态电池研究人员越来越关注晶粒边界作为导致锂金属树枝晶的来源。人们怀疑晶粒边界与晶粒具有不同的化学和电气性质，这会与在电池充放电过程中在电极之间移动的离子和电子相互作用。
然而，边界如何减缓离子运动、泄漏电子并导致树枝晶的确切机制仍不明确。图勒表示：“晶粒边界就像缺陷。边界的缺陷水平通常高于晶粒本身，通常这意味着当电荷载体接近边界时，无论是电子还是离子，都必须克服某种阻碍。”
为了更好地理解这种干扰，研究人员建立了一个模型，以解释晶粒边界的局部电气不平衡如何改变锂离子和电子载流子的运动。他们在一种常见的固态电解质材料锂镧锆氧化物（LLZO）中测试了该模型，采用了电子显微镜、机器学习建模和电化学阻抗谱等技术，后者测量电荷在材料中移动的难易程度。
他们发现，边界的核心携带局部电荷，形成局部电场，导致离子电阻增加，同时在边界区域积累电子，导致锂离子还原，进而形成锂金属树枝晶。
Rupp解释说：“在过去30年里，锂离子电池主导了市场，但越来越多的人认识到需要其他类型的电池来满足不同的用途。这项工作为我们提供了晶粒边界处空间电荷界面的基础理解。如果理解得当，我们可以提出工程概念，以提高循环寿命，促进离子在这些界面上的转移，最终实现更好的电池。”
研究人员利用观察结果调整了LLZO电解质材料的处理条件，以最小化边界的负电荷，发现这样可以促进锂离子的移动并减少电子泄漏。这些修改使他们能够创造出临界电流密度比基准样品高出300%以上的电解质。
更高的电流密度使得更快的充放电成为可能，同时也延缓了短路，从而延长电池的使用寿命。Rupp表示：“火灾在电池行业是一个巨大的问题。通过展示如何以可控的方式工程化这些空间电荷，这在该领域是新的，我们可以对安全性产生重大影响。这是一种新的方法，可以加速电池充电并延长其使用寿命。”
研究结果以及研究人员的工程工作为电池研究人员加速开发高性能、持久的固态电池提供了路线图。Chu表示：“我们展示了可以控制这些树枝晶的形成，以最大化固态电池的高性能。在这篇论文中，我们首先提出了树枝晶形成的理论，然后进行了材料表征来支持这一理论，最后进行了工程应用以实际改善电池性能。”这项工作部分得到了美国国家科学基金会和美国国土安全部的支持。
博主点评： 固态电池的研究正在加速，尤其是在锂金属树枝晶问题的解决上。此项研究不仅揭示了晶粒边界的电气行为，还为电池性能的提升提供了新思路。随着对电解质材料的深入理解，未来固态电池的应用前景将更加广阔。