临界电流密度性能翻倍，美国科学家新方法解决固态电池“内伤”

IT之家 11 月 5 日消息，科技媒体 techxplore 昨日（11 月 4 日）发布博文，报道称得克萨斯大学奥斯汀分校领导的科研团队在全固态电池领域取得突破，开发出一种新型氧化锆改性石榴石电解质，提升电池性能的同时，也成功降低了制造成本。

IT之家援引博文介绍，目前主流的锂离子电池普遍采用有机液态电解质，这种类似枫糖浆（Maple-syrup）的物质是电池内部锂离子穿梭的通道。

尽管技术成熟，但液态电解质本质上是碳氢化合物，是频发电池起火事故中的“燃料”，导致了严重的热失控风险。因此，开发下一代更安全、能量密度更高的全固态电池已成为行业核心目标。

相比之下，基于陶瓷的固态电解质不含可燃物，能够从根本上降低火灾风险。然而，陶瓷电解质自身也面临着成本高昂、制造品控困难，以及金属枝晶生长导致内部短路过早失效等严峻挑战。

其中，基于石榴石结构的氧化物陶瓷因其独特的晶体结构能让锂离子快速移动，被视为理想材料，但即便是它也未能完全克服枝晶难题。

由得克萨斯大学奥斯汀分校领导，集结了四所大学与三家国家实验室的团队，为全固态电池技术开发出一种新方法，解决了这一瓶颈。

氧化锆增强型电解液（左图）避免了基准样品（右图）中出现的裂纹。图片来源：David Mitlin

团队受珠宝匠打磨宝石的启发，通过在石榴石晶粒中均匀分散微米级的氧化锆颗粒，成功抑制了电解质内部的裂纹和枝晶形成。同时，该方法利用碳化物添加剂在制造过程中放热分解的特性，降低了外部加工温度，从而进一步削减了生产成本。

论文共同第一作者、博士后研究员 Yixian Wang 表示，氧化锆在此处发挥了双重作用：它既帮助材料致密化，又防止了烦人的锂枝晶形成，实现了性能与安全的双赢。

更重要的是，这项技术还带来了额外的经济效益。研究中使用的碳化物添加剂在制造过程中会放热分解，为合成反应提供额外热量，从而降低了外部加工所需的温度，有效削减了生产成本。

测试结果显示，与未经改性的材料相比，这种新型氧化锆改性石榴石的临界电流密度（材料短路前能承受的最大电流）提升了近一倍，意味着电池可以在不牺牲安全性的前提下，以更高功率运行。

IT之家注：临界电流密度是衡量电池性能和安全性的一个关键指标，指电池在不发生短路或损坏（如长出枝晶）的情况下，所能承受的最大充放电电流强度。这个值越高，意味着电池可以支持更快的充电速度和更强大的功率输出。