《自然－材料学》：液体电池以后，固体电池以前

2021-02-07 10:59

文／陈根

电池作为能够提供持续而稳定电流的装置，经历了200余年的发展，不断满足人们对电力灵活运用的需求。近年来，以锂电池为代表的二次电池（可充电电池或蓄电池）革新着能源系统。

其中，凭借着高能量密度、高安全性的优势，锂离子电池开始一路狂奔，迅速将其他二次电池甩在身后。事实上，不论是手机、电脑、相机，还是电动汽车，都是基于锂电池技术的成熟才得到快速的发展。

但同时，锂电池安全问题引发的事故同样令人印象深刻。除了安全问题，锂电池的续航能力、电池循环使用寿命有限等问题，也常常被人们所诟病。因此，锂离子电池的替代或备选储能技术成为世界各国新能源技术竞争焦点，而固态电池则作为继锂离子电池之后的另一储能技术备受瞩目。

固态电池相对于目前广泛应用的液态电池而言，事实上，人们一般将固态、准固态以及半固态电池都叫做固态电池，相较于液态电池，固态电池在安全性、能量密度、充放电效率等各个方面都有很大的飞跃。

但对于固态电池来说，循环寿命是阻碍其发展的一大障碍。在锂电池内部，液体电解质均匀地覆盖在电极上，允许锂离子自由移动。而固态电池技术取而代之的是使用固体电解质，这将有助于提高能量密度以及提高电池的安全性。而从电极上移除锂会在界面处产生空隙，导致可靠性问题，从而限制电池的使用寿命。

这一发现来源于佐治亚理工学院的研究小组借助 X 射线对固态电池的观测。研究小组使用美国能源部 Argonne 国家实验室先进光子源（APS）的超亮 X 射线，使用一个大约2 毫米宽的圆柱形电池，观察了固态电池在充放电过程中材料的内部转化，并建立了在电池充电和放电过程中捕捉到结构变化的三维图像。

陈根：液体电池以后，固体电池以前

这些图像揭示了固体电解质界面上电极材料的动态变化如何确定固态电池的性能。研究人员发现，电池工作导致界面上形成的微小空隙，大小可达 1－2 微米，比人类头发丝的直径还要小约 50 倍，这就造成了接触不良，而这也是导致电池失效的主要原因。

研究人员认为，这项工作提供了对电池内部情况的基本了解，这些信息对于指导工程工作至关重要，而这些工程工作将在未来几年里推动固态电池实现商业化。其研究结果已经发表在《自然－材料学》杂志上。

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