研究人員精確定位固態(tài)電池內(nèi)部的納米級空間電荷層，揭示其如何悄然降低電池性能。

固態(tài)電池內(nèi)部一道隱形屏障可能正悄然阻礙著更安全、更強(qiáng)效的下一代儲能技術(shù)的發(fā)展。

固態(tài)電池被普遍認(rèn)為將超越當(dāng)今鋰離子電池，具有更高電壓、更大容量及顯著提升的安全性。

與傳統(tǒng)電池不同，固態(tài)電池使用不會泄漏或燃燒的固態(tài)電解質(zhì)，使其成為電動汽車與固定能源系統(tǒng)的理想平臺。

但即便這類先進(jìn)電池也存在內(nèi)在缺陷：空間電荷。這些電荷積聚在電池內(nèi)部界面處，形成阻礙充放電過程的電阻。

多年來研究人員雖知曉這些電荷層的存在，但始終未能準(zhǔn)確測量其真實(shí)尺寸，也無法理解其對工作狀態(tài)下固態(tài)電池性能的具體影響。

潛入隱形層

如今，德國馬克斯·普朗克聚合物研究所的科學(xué)家與日本高校合作，首次繪制出運(yùn)行中鋰固態(tài)電池內(nèi)部空間電荷區(qū)域的精確圖譜。

借助先進(jìn)顯微技術(shù)，他們成功測得了該電荷層的厚度及其產(chǎn)生的附加電阻。

"電池如同一種泵。"MPI-P課題組負(fù)責(zé)人呂迪格·伯格比喻道，他描述了離子在電池內(nèi)部穿梭，而電子在外部流動以平衡電荷的過程。

當(dāng)離子在固態(tài)電解質(zhì)中遷移時(shí)，會在界面處形成局部電荷積聚。這種現(xiàn)象會排斥其他遷移離子，猶如在關(guān)鍵樞紐節(jié)點(diǎn)引發(fā)交通堵塞。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)主要發(fā)生在正極處：此處形成的空間電荷層厚度不足50納米，僅相當(dāng)于肥皂泡脆弱表面的薄度。

雖微乎其微，該電荷層卻貢獻(xiàn)了電池總電阻的約7%。若采用不同材料，其影響可能更為顯著。

新工具帶來新突破

此前關(guān)于電荷層厚度的估算始終眾說紛紜。不同實(shí)驗(yàn)室使用不同工具得出矛盾數(shù)據(jù)，且無人能在電池工作狀態(tài)下完成測量。

MPI-P與日本團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建薄膜模型電池，結(jié)合兩種電池研究領(lǐng)域前所未有的檢測技術(shù)——開爾文探針力顯微鏡與核反應(yīng)分析，攻克了這一難題。

通過KPFM技術(shù)，研究人員用超細(xì)探針掃描電池橫截面，實(shí)時(shí)觀測局部電壓影響并監(jiān)測電勢變化。

而NRA技術(shù)則直接測量了正極界面處的鋰積聚量。

"這兩種技術(shù)都是電池研究領(lǐng)域的新突破，未來也可應(yīng)用于其他課題研究。"東京大學(xué)一木太郎表示。

這項(xiàng)研究不僅揭示了固態(tài)電池內(nèi)部長期存在的運(yùn)行機(jī)制，更為性能優(yōu)化指明了方向。

通過改良電極材料或重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，工程師或許能找到抑制空間電荷積聚、實(shí)現(xiàn)更快速高效充電的技術(shù)路徑。

該研究成果已發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會納米》期刊。

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