美国麻省理工学院与德国慕尼黑工业大学研究团队近日揭示了固态电池中锂枝晶形成的重要机制。研究发现，固态电解质晶粒边界处隐藏的局部电荷失衡，会阻碍锂离子传输并造成电子聚集，进而诱发金属锂沉积和枝晶生长。通过调整电解质材料的加工条件，研究人员将其临界电流密度提高了超过300%，为提升固态电池的充电速度、循环寿命和安全性提供了新的技术路径。相关成果发表于《自然·纳米技术》。

固态电池中锂枝晶形成机制研究

固态电池采用固态或近固态电解质，与传统锂离子电池相比，具有提升能量密度和降低安全风险的潜力。然而，固态电解质内部仍可能形成细小的金属锂枝晶。这些枝晶不断生长后，可能贯穿电解质，引发电池短路、性能衰减甚至失效，成为制约固态电池实用化的重要问题。

此前，相关研究主要集中于电解质与电极之间的界面。近年来，科学家逐渐发现，固态电解质内部不同晶粒之间的边界，同样可能成为锂枝晶形成的起点，但其具体作用机制尚未得到充分解释。

固态电解质通常由大量微小晶体紧密排列而成，每个晶体之间通过晶界相互分隔。研究团队建立模型，分析了晶界区域局部电荷失衡对锂离子和电子传输的影响，并以常用固态电解质材料锂镧锆氧化物（LLZO）为研究对象，结合电子显微镜、机器学习建模和电化学阻抗谱等技术开展验证。

研究结果显示，晶界核心区域带有局部电荷，由此形成的局部电场会提高锂离子通过晶界时所受到的阻力，同时促使电子在晶界附近聚集。这些电子可将锂离子还原为金属锂，形成微小的锂金属“种子”，并进一步生长为枝晶。

在明确上述机制后，研究人员对LLZO电解质的加工条件进行调整，以减少晶界处的负电荷。实验表明，经过优化的材料能够改善锂离子传输并降低电子泄漏，其临界电流密度较基准样品提高超过300%。

临界电流密度是衡量固态电解质在发生短路前能够承受多大电流的重要指标。该指标提高意味着电池有望实现更快的充放电，同时延缓枝晶贯穿电解质造成的短路，从而延长使用寿命。

研究人员表示，该成果从理论解释、材料表征到工程优化，系统展示了晶界电荷对枝晶形成和电池性能的影响，也说明晶界并非不可控制的材料缺陷。通过对晶界空间电荷进行有针对性的调节，有望进一步提高固态电池中离子传输相对于电子传输的选择性，减少金属锂沉积并改善电池安全性。

研究团队认为，这项工作为高性能长寿命固态电池的研发提供了新的材料设计思路。未来，通过进一步优化晶界结构和电解质制备工艺，或可加快固态电池从实验室研究向实际应用转化。