家科技新闻 从洞穴到电池：钟乳石、石笋和更耐用的电池

固态电池在未来可以提供许多优势，包括用于电动汽车。图片来源：张雪 / MPI-P

突破性的研究有可能为显着延长电池寿命铺平道路。

电动汽车、移动电话和无绳电动工具等多种日常用品现在都依赖可充电电池。然而，这种增长趋势确实带来了一些挑战。例如，出于安全考虑，某些手机被禁止带上飞机，而据报道，一些电动汽车起火了。这主要是由于当代商用锂离子电池对机械应力的敏感性。

这些问题的一个新兴解决方案可能是使用“固态电池”。这些电池与常规电池不同，它们用陶瓷离子导体等全固体材料取代了液体核心（称为电解质）。因此，它们具有许多优点，例如机械坚固、不可燃、易于小型化以及耐温度波动。

但固态电池在经过多次充放电循环后就暴露出问题：虽然电池的正负极在开始时仍然是电分离的，但最终通过内部电池工艺相互电连接： “枝晶”在电池中缓慢生长。这些锂枝晶在每次充电过程中逐步生长，直到两个极连接。结果是：电池短路并“死亡”。然而，到目前为止，这个过程中发生的确切物理过程尚不清楚。

Hans-Jürgen Butt 部门的 Rüdiger Berger 领导的团队现在已经解决了这个问题，并使用特殊的显微镜方法更详细地研究了这一过程。他们研究了锂枝晶从哪里开始生长的问题。是不是就像在流石洞里，钟乳石从顶部生长，石笋从底部生长，直到它们在中间汇合，形成所谓的“石笋”？电池没有顶部和底部——但枝晶是从负极生长到正极还是从正极生长到负极？或者它们在两极的增长是相等的吗？或者电池中是否有特殊的地方导致成核，然后从那里开始枝晶生长？

Rüdiger Berger 的团队特别研究了陶瓷固体电解质中所谓的“晶界”。这些边界是在固体层的生产过程中形成的：陶瓷晶体中的原子基本上排列得非常规则。然而，由于晶体生长过程中存在微小的随机波动，原子不规则排列的地方形成了线状结构，即所谓的“晶界”。

这些晶界通过显微镜方法“开尔文探针力显微镜”可见，其中用锋利的尖端扫描表面。与 Rüdiger Berger 一起工作的博士生朱超 (Chao Zhu) 表示：“如果固态电池充电，开尔文探针力显微镜会看到电子沿着晶界积聚，尤其是在负极附近。” 后者表明晶界不仅改变了陶瓷原子的排列，而且改变了它们的电子结构。

由于电子（即负粒子）的积累，在固体电解质中移动的带正电的锂离子可以被还原成金属锂。结果：锂沉积物和锂枝晶形成。如果重复充电过程，枝晶将继续生长，直到最终电池的两极连接。这种枝晶生长初始阶段的形成仅在负极观察到——也仅在该极观察到。在相反的正极没有观察到生长。

科学家们希望，通过对生长过程的精确了解，他们还能够开发出有效的方法来阻止或至少限制负极的生长，以便将来更安全的锂固态电池也可以用于宽带应用。