许多日常用品，如电动汽车、移动电话和无线电动工具，现在都依赖于可充电电池。然而，这种增长趋势确实带来了一些挑战。例如，出于安全考虑，某些手机被禁止在航班上使用，一些电动汽车甚至还会起火。这主要是由于当代商用锂离子电池对机械应力的敏感性。

解决这些问题的一个新方案可能是使用“固态电池”。这些电池与常规电池不同的是，它们用一种完全固体的材料，比如陶瓷离子导体，取代了液体核心——也就是电解质。因此，它们具有许多优点，如机械坚固，不易燃，易于小型化，耐温度波动。

然而，固态电池在经过几次充放电循环后就会出现问题：虽然电池的正极和负极在开始时仍然是相互分离的，但它们最终会在电池内部相互连接：“锂枝晶”会慢慢生长。这些锂枝晶在每次充电过程中逐步生长，直到两极连接。

枝晶生长最终导致的结果是：电池短路并“死亡”。然而，到目前为止，在这个过程中发生的确切物理过程还没有被很好地理解。

现在，马克斯普朗克聚合物研究所（Max Planck Institute for Polymer Research）的科学家团队已经解决了这个问题，并使用一种特殊的显微镜方法来更详细地研究这一过程。他们详细研究了固态电池生命周期，以延长其寿命，以期实现更耐用的电池。

据悉，他们研究了锂枝晶从何处开始生长的问题。锂枝晶是否就像在流石洞里，洞顶长出钟乳石，洞底长出石笋，然后在中间汇合，形成所谓的“石笋”？但电池没有顶部和底部，但枝晶是从负极长到正极还是从正极长到负极呢？还是它从两极平均增长？还是电池中有特殊的地方会导致成核，然后从那里开始生长？

该团队特别研究了陶瓷固体电解质中所谓的“晶界”。这些边界是在固体层的生产过程中形成的：陶瓷晶体中的原子基本上非常规则地排列。然而，由于晶体生长中的微小随机波动，会在原子不规则排列的位置形成线状结构，即所谓的“晶界”。

研究人员使用“开尔文探针力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy）”用尖锐的尖端扫描表面来观察这些晶界。他们表示：“如果固态电池充电，开尔文探针力显微镜会看到电子沿着晶界聚集，尤其是在负极附近。晶界不仅改变了陶瓷原子的排列，也改变了它们的电子结构。”

由于电子（即负电荷粒子）的积累，带正电的锂离子在固体电解质中运动，可以被还原成金属锂。其结果是，锂沉积和锂枝晶形成。如果重复充电过程，枝晶将继续生长，直到最后连接电池的两极。这种枝晶生长初始阶段的形成仅在负极观察到，但在相反的正极没有观察到生长。

科学家们希望，随着对生长过程的精确理解，他们也将能够开发出有效的方法来防止或至少限制枝晶的生长，以便将来也可以在其他领域使用更安全的锂固态电池。

来源：财联社

作者：黄君芝