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，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。然而这种革命性电池面临一个致命难题：固态电解质会突然短路失效。
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员王春阳联合国际团队，利用原位透射电镜技术，首次在纳米尺度揭示了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，研究成果5月20日发表在《美国化学会会刊》。
王春阳介绍，原位电镜观察表明，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，这一过程分为两个阶段：软短路和硬短路。
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，形成瞬间导电通路。
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。
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，即软短路，彻底崩溃为永久短路，也就是硬短路。
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，发展了无机/有机复合固态电解质，有效抑制了固态电解质内部的锂金属析出、互连及其诱发的短路失效，显著提升了其电化学稳定性。
该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，为固态电解质的纳米尺度失效机理提供了全新认知，为新型固态电解质的开发提供了理论依据。该研究也凸显出先进透射电子显微术，在解决能源领域关键科学问题方面扮演的重要角色。
相关论文信息：10.1021/jacs.5c04113
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。受访者供图
