這項找到導致固態電池突然短路“元兇”的重要研究成果論文，近日在國際專業學術期刊《美國化學會會刊》(Journal of the American Chemical Society)上線發表。
論文第一作者和共同通訊作者王春陽研究員介紹說，手機、電動汽車都依賴鋰電池供電，但液態鋰電池存在安全隱患，研究人員正在研發更安全的“全固態電池”，用固態電解質取代液態電解液，同時還能搭配能量密度更高的鋰金屬負極，但固態電解質會突然短路失效的難題一直未能破解。
在本項研究中，合作團隊通過原位電鏡觀察發現，固態電解質內部缺陷(如晶界、孔洞等)誘導的鋰金屬析出和互連形成的電子通路直接導致了固態電池的短路，這一過程分為軟短路和硬短路兩個階段。
軟短路源于納米尺度上鋰金屬的析出與瞬時互連，這時的鋰金屬就像樹根一樣沿著晶界、孔洞等缺陷生長，形成瞬間導電短路。隨后，伴隨著軟短路的高頻發生和短路電流增加，固態電解質就像被“訓練”過的智能開關，逐步形成記憶性導電通道，最終徹底喪失絕緣能力，引發不可逆的硬短路。
軟短路-硬短路的轉變動力學的原位電鏡觀察和短路電流監測。中國科學院金屬研究所 供圖
王春陽指出，在此過程中，固態電池內部的微小裂縫處，納米級的鋰金屬像滲入金屬的水銀般“腐蝕”材料結構，引發脆裂蔓延，使電池從暫時漏電(軟短路)徹底崩潰為永久短路(硬短路)。針對多種無機固態電解質的系統研究表明，這一失效機制在NASICON型和石榴石型無機固態電解質中具有普遍性。
基于這些發現，研究團隊利用三維電子絕緣且機械彈性的聚合物網絡，開發出無機/有機復合固態電解質，可有效抑制固態電解質內部的鋰金屬析出、互連及其誘發的短路失效，顯著提升其電化學穩定性。
有機-無機復合固態電解質中的穩定鋰離子傳輸。中國科學院金屬研究所 供圖
這次研究通過闡明固態電解質的軟短路-硬短路轉變機制及其與析鋰動力學的內在關聯，既為固態電解質的納米尺度失效機理提供全新認知，也為新型固態電解質的開發提供理論依據。“同時，還凸顯出先進透射電子顯微技術，在解決能源領域關鍵科學問題方面扮演的重要角色。”王春陽說。
