最新的研究揭示了一個令人驚訝的原因，解釋了下一代固態電池中短路的成因，挑戰了該領域長期以來的假設。多年來，研究人員認為樹枝狀結構——即可觸發電池故障的微小分支——主要是由於機械應力而形成，類似於路面上的裂縫。然而，麻省理工學院（MIT）工程師的一項新研究顯示，實際情況可能正好相反。利用先進的應力測量技術，研究團隊發現樹枝狀結構在較低的應力條件下實際增長得更快，裂縫的形成僅需達到預期應力閾值的一小部分。
研究的首席作者、麻省理工學院材料科學與工程博士生Cole Fincher在聲明中表示：「我們觀察到，如果僅在實驗台上測試陶瓷電解質，它的強度大約跟牙齒一樣。但在充電過程中，它變得非常脆弱，接近棒棒糖的脆性。」
固態電池被廣泛認為是能源儲存技術的下一次飛躍，因為它們使用固態金屬電解質而非液態電解質，承諾提供比傳統鋰離子系統更高的能量密度和更好的安全性。然而，樹枝狀結構的形成一直阻礙著其進步，這些微觀金屬絲在電解質上生長，並觸發短路。麻省理工學院的這項新研究在理解這些樹枝狀結構的形成方面引入了一項技術突破。
傳統上，樹枝狀結構的生長與機械應力有關，而現在研究人員使用先進的應力映射技術直接測量樹枝的增長。這種方法使得研究團隊能夠實時觀察在一種常用的陶瓷電解質中，樹枝狀結構周圍的應力水平。研究團隊使用新穎的視覺技術來測量材料中樹枝裂縫增長時的應力。令人驚訝的是，數據顯示樹枝狀結構在較低應力條件下生長得更快，裂縫在僅達到預期機械閾值的 25% 時就已經形成。
該研究確定了高電流驅動的電化學反應作為關鍵因素。這些反應在電池運行期間削弱了電解質，降低了其結構完整性，使其更容易失效。這一見解改變了電池創新工作的重點，研究人員不僅需要設計更強的材料，還必須優先考慮能夠承受動態運行條件的化學穩定電解質。這些發現標誌著向設計耐用、高性能固態電池的重要一步邁進。
自 1970 年代以來，樹枝狀結構一直是電池開發的主要障礙，限制了高性能固態設計的採用。鋰離子電池使用抗樹枝形成的石墨陽極，而固態電池則依賴鋰金屬，能在更小、更輕的包裝中存儲顯著更多的能量。然而，樹枝狀結構仍然可以通過固態電解質生長，造成短路。這讓研究人員感到困惑，因為鋰金屬是柔軟的，而這些電池所用的陶瓷電解質則是剛性的。
科學家最初認為機械應力驅動樹枝的形成，因此努力創造更強的材料。為進一步調查，研究人員設計了一種專用的電池單元，使直接觀察樹枝生長成為可能，並使用雙折射顯微鏡實時測量應力水平。結果顯示樹枝在較低應力下增長得更快，顯示出材料在運行過程中實際上已經變弱。進一步的研究利用低溫電子顯微鏡發現，高電流驅動的化學反應改變了電解質的內部結構，使其變得更脆弱，樹枝更容易擴展，突顯了在設計更可靠電池時化學穩定性的重要性。
研究人員強調，實驗使用了最穩定的固態電池電解質之一，這表明這些發現可能適用於其他材料。研究結果顯示，有必要開發在與鋰金屬接觸時仍能保持化學穩定的電解質。該團隊也可能探索在裂縫形成時會增強的材料。儘管仍需進一步工作以全面了解導致材料變弱的反應，但這種應力測量方法可能有助於開發改進的燃料電池和電解槽材料。
