中国粉体网讯 主流的固态电解质包括硫化物、氧化物、聚合物和卤化物等，在与锂金属或高电压正极接触时，通常会表现出热力学不稳定性或可发生的动力学分解反应。这些反应在界面处产生的混合导电相或高电阻相，不仅直接阻碍锂离子的传输，还常伴随显著的体积变化和局部结构重构。在受严格约束的电池结构中，这种化学膨胀无法通过自由变形来适应，最终转化为应力集中和微裂纹的产生，从而引发电解质颗粒断裂或界面剥离，造成固态电池短路。
固态电池突发短路成因
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员王春阳联合国际团队，利用原位透射电镜技术在纳米尺度揭开了固态电池突发短路成因。
王春阳团队用原位透射电镜观察发现，固态电解质内部缺陷（如晶界、孔洞等）诱导的锂金属析出和互连形成的电子通路直接导致了固态电池的短路，这一过程分为两个阶段：软短路和硬短路。软短路源于纳米尺度上锂金属的析出与瞬时互连，这时的锂金属就像树根一样沿着晶界、孔洞等缺陷生长，形成瞬间导电通路，即软短路。伴随着软短路的高频发生和短路电流增加，固态电解质最终彻底丧失绝缘能力，引发不可逆的硬短路。
固态电解质中的软短路-硬短路转变机制示意图以及其抑制机理
基于这些发现，研究团队利用具有机械柔性且电子绝缘的三维聚合物网络，发展了“刚柔并济”的无机-有机复合固态电解质，有效抑制了固态电解质内部的锂金属析出、互连及其诱发的短路失效。
该研究通过阐明固态电解质的软短路-硬短路转变机制及其与析锂动力学的内在关联，为固态电解质的纳米尺度失效机理提供了全新认知，为新型固态电池的开发提供了新的理论依据。
固态电解质失效设计策略
锂枝晶穿透固态电解质的现象，被归因于两种不同的失效机制。一种机制认为，锂枝晶内部积累的内压会引起固态电解质发生机械断裂，从而使枝晶得以扩展并最终导致电池短路。另一种机制则指出，电子沿固体电解质晶界的泄漏促进了孤立锂核的形成，这些锂核随后相互连接并造成电池短路。
德国马克斯·普朗克可持续材料研究所Gerhard Dehm教授、张宇威、刘传来等人通过使用模型电池设计以及一套低温电子显微镜仪器，报道了固态电解质中发生的沿晶和穿晶断裂事件，并且在枝晶尖端观察到锂完全填充了纳米尺度的裂纹。通过冷冻扫描透射电子显微镜，在枝晶尖端前方未检测到孤立的锂核。
研究团队基于机理研究提出以下设计策略：
1、提高晶界抗断裂能力，裂纹常常沿晶界偏转，即使这会降低裂纹扩展的驱动力。这种行为反映出晶界处的抗断裂能力不足（比基体的抗断裂能力弱3-5倍）。已有报道称，掺杂等策略可以增强晶界。
2、提高固体电解质的断裂韧性，枝晶尖端附近缺乏位错活动，凸显了石榴石型电解质本质上易碎的特性，以及其在锂枝晶穿透过程中通过塑性变形松弛应力的能力有限。通过位错激活或剪切流等机制提高断裂韧性，可以促进应力耗散并延缓锂沉积过程中的裂纹扩展。
3、机械引导的枝晶扩展重定向，垂直于枝晶扩展方向排列的横向孔隙能够改变枝晶的生长路径，从而防止短路。这一概念验证表明，引入局部缺陷（如孔隙、裂纹或弱界面）可以有效影响枝晶的扩展路径。为了在薄型固体电解质隔膜（理想情况下薄至约20 µm）中实现这一概念，多层固体电解质中的界面有可能被用作机械薄弱区域来重定向枝晶扩展。
固态电池商业化的挑战
尽管固态电池在短路防控与电解质失效机制研究方面取得了显著进展，但要实现商业化应用，仍面临三大核心挑战。
其一，电解质的规模化制备难题，目前实验室层面的电解质制备工艺（如原位烧结、溶液浇铸等）难以满足大规模生产的需求，且制备成本较高，例如硫化物电解质的制备需在惰性气体保护下进行，增加了生产难度与成本，未来需开发低成本、易规模化的制备技术。
其二，电池界面相容性问题，固态电解质与正极、负极的界面接触电阻仍较高，且在长期循环过程中易发生界面剥离，导致电池性能衰减，这就需要进一步优化界面修饰技术，例如通过在电解质与电极之间引入缓冲层，改善界面接触状态，降低接触电阻。
其三，安全性与稳定性的长期验证，固态电池虽解决了液态电池的漏液问题，但在高温、高压等极端条件下，仍可能出现电解质分解、锂枝晶穿透等问题，需建立完善的长期可靠性测试体系，确保电池在全生命周期内的安全性。
信息来源：
杨世春等.全固态电池的失效机制与故障演变：从材料到电池级退化
中外科研人员合作揭开固态电池短路成因.中国国际科技交流中心
今日Nature：固态电解质失效机制重新理解.能源学人
中国粉体网、先进能源材料、储能科学与技术
（中国粉体网编辑整理/苏简）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
