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北京5月21日电 (记者 孙自法)当今世界，各种电池可以说是人们不可或缺的日常用品之一。不过，被誉为革命性的、更安全的“全固态电池”面临一个致命难题——固态电解质会突然短路失效，其原因何在、有何解决之道？备受学术界、产业界关注。
记者5月21日从中国科学院金属研究所获悉，该所沈阳材料科学国家研究中心王春阳研究员领导的国际合作团队最近在这方面取得重要突破，他们利用原位透射电镜技术，首次在纳米尺度揭示出无机固态电解质中的软短路—硬短路转变机制及其背后的析锂动力学。
无机固态电解质中的软短路-硬短路转变机制示意图以及其抑制机理。中国科学院金属研究所 供图
这项找到导致固态电池突然短路“元凶”的重要研究成果论文，近日在国际专业学术期刊《美国化学会会刊》(Journal of the American Chemical Society)上线发表。
论文第一作者和共同通讯作者王春阳研究员介绍说，手机、电动汽车都依赖锂电池供电，但液态锂电池存在安全隐患，研究人员正在研发更安全的“全固态电池”，用固态电解质取代液态电解液，同时还能搭配能量密度更高的锂金属负极，但固态电解质会突然短路失效的难题一直未能破解。
在本项研究中，合作团队通过原位电镜观察发现，固态电解质内部缺陷(如晶界、孔洞等)诱导的锂金属析出和互连形成的电子通路直接导致了固态电池的短路，这一过程分为软短路和硬短路两个阶段。
软短路源于纳米尺度上锂金属的析出与瞬时互连，这时的锂金属就像树根一样沿着晶界、孔洞等缺陷生长，形成瞬间导电短路。随后，伴随着软短路的高频发生和短路电流增加，固态电解质就像被“训练”过的智能开关，逐步形成记忆性导电通道，最终彻底丧失绝缘能力，引发不可逆的硬短路。
软短路-硬短路的转变动力学的原位电镜观察和短路电流监测。中国科学院金属研究所 供图
王春阳指出，在此过程中，固态电池内部的微小裂缝处，纳米级的锂金属像渗入金属的水银般“腐蚀”材料结构，引发脆裂蔓延，使电池从暂时漏电(软短路)彻底崩溃为永久短路(硬短路)。针对多种无机固态电解质的系统研究表明，这一失效机制在NASICON型和石榴石型无机固态电解质中具有普遍性。
基于这些发现，研究团队利用三维电子绝缘且机械弹性的聚合物网络，开发出无机/有机复合固态电解质，可有效抑制固态电解质内部的锂金属析出、互连及其诱发的短路失效，显著提升其电化学稳定性。
有机-无机复合固态电解质中的稳定锂离子传输。中国科学院金属研究所 供图
这次研究通过阐明固态电解质的软短路-硬短路转变机制及其与析锂动力学的内在关联，既为固态电解质的纳米尺度失效机理提供全新认知，也为新型固态电解质的开发提供理论依据。“同时，还凸显出先进透射电子显微技术，在解决能源领域关键科学问题方面扮演的重要角色。”王春阳说。(完)
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