更坚固的固态电池未来可期？科学家发现制约电池性能的纳米级缺陷

研究人员精确定位固态电池内部的纳米级空间电荷层，揭示其如何悄然降低电池性能。

固态电池内部一道隐形屏障可能正悄然阻碍着更安全、更强效的下一代储能技术的发展。

固态电池被普遍认为将超越当今锂离子电池，具有更高电压、更大容量及显著提升的安全性。

与传统电池不同，固态电池使用不会泄漏或燃烧的固态电解质，使其成为电动汽车与固定能源系统的理想平台。

但即便这类先进电池也存在内在缺陷：空间电荷。这些电荷积聚在电池内部界面处，形成阻碍充放电过程的电阻。

多年来研究人员虽知晓这些电荷层的存在，但始终未能准确测量其真实尺寸，也无法理解其对工作状态下固态电池性能的具体影响。

潜入隐形层

如今，德国马克斯·普朗克聚合物研究所的科学家与日本高校合作，首次绘制出运行中锂固态电池内部空间电荷区域的精确图谱。

借助先进显微技术，他们成功测得了该电荷层的厚度及其产生的附加电阻。

"电池如同一种泵。"MPI-P课题组负责人吕迪格·伯格比喻道，他描述了离子在电池内部穿梭，而电子在外部流动以平衡电荷的过程。

当离子在固态电解质中迁移时，会在界面处形成局部电荷积聚。这种现象会排斥其他迁移离子，犹如在关键枢纽节点引发交通堵塞。

研究团队发现该效应主要发生在正极处：此处形成的空间电荷层厚度不足50纳米，仅相当于肥皂泡脆弱表面的薄度。

虽微乎其微，该电荷层却贡献了电池总电阻的约7%。若采用不同材料，其影响可能更为显著。

新工具带来新突破

此前关于电荷层厚度的估算始终众说纷纭。不同实验室使用不同工具得出矛盾数据，且无人能在电池工作状态下完成测量。

MPI-P与日本团队通过构建薄膜模型电池，结合两种电池研究领域前所未有的检测技术——开尔文探针力显微镜与核反应分析，攻克了这一难题。

通过KPFM技术，研究人员用超细探针扫描电池横截面，实时观测局部电压影响并监测电势变化。

而NRA技术则直接测量了正极界面处的锂积聚量。

"这两种技术都是电池研究领域的新突破，未来也可应用于其他课题研究。"东京大学一木太郎表示。

这项研究不仅揭示了固态电池内部长期存在的运行机制，更为性能优化指明了方向。

通过改良电极材料或重新设计结构，工程师或许能找到抑制空间电荷积聚、实现更快速高效充电的技术路径。

该研究成果已发表于《美国化学学会纳米》期刊。

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