11 月 30 日消息，固態(tài)電池被視為下一代更安全、高性能儲(chǔ)能技術(shù)，因其固態(tài)電解質(zhì)不會(huì)泄漏或燃燒，有望在電動(dòng)汽車和固定式儲(chǔ)能領(lǐng)域帶來更高電壓、更大容量和更好的安全性。

然而，這類電池內(nèi)部存在一種長(zhǎng)期被關(guān)注卻未被準(zhǔn)確測(cè)量的問題：空間電荷層。它會(huì)在電池內(nèi)部界面形成電荷堆積，增加阻力，從而影響充放電效率。

盡管研究人員早已確認(rèn)空間電荷層的存在，但其真實(shí)厚度與對(duì)電池性能的具體影響一直無(wú)法在工作狀態(tài)下直接測(cè)量。

對(duì)此，德國(guó)馬普高分子研究所（MPI-P）聯(lián)合國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)首次在運(yùn)行中的固態(tài)鋰電池中繪制出這一界面區(qū)域的實(shí)際結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)顯微技術(shù)，測(cè)量了正極處空間電荷層的厚度及其造成的額外阻力。

根據(jù) MPI-P 研究組負(fù)責(zé)人 Rüdiger Berger 的描述，電池可被視作一種“泵”，離子在固態(tài)電解質(zhì)中遷移時(shí)，會(huì)在界面處形成局部電荷堆積，從而對(duì)后續(xù)遷移的離子產(chǎn)生排斥，類似于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)“交通堵塞”。

研究結(jié)果顯示，這一電荷層主要出現(xiàn)在正極區(qū)域，其厚度不足 50 納米，接近肥皂泡薄膜的尺度。盡管尺寸極小，但卻貢獻(xiàn)了約 7% 的電池內(nèi)部總阻力，且其影響可能會(huì)隨材料不同而進(jìn)一步增加。

此前，各研究機(jī)構(gòu)對(duì)空間電荷層厚度的估計(jì)差異較大，且缺乏在電池實(shí)際運(yùn)行過程中獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)。此次研究通過構(gòu)建薄膜模型電池，并首次在電池研究中結(jié)合使用開爾文探針力顯微鏡（KPFM）和核反應(yīng)分析（NRA），實(shí)現(xiàn)了更精確的原位觀測(cè)。

KPFM 通過超精細(xì)探針掃描電池截面，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局部電壓分布；NRA 則直接測(cè)量正極界面的鋰離子累積情況。東京大學(xué)的 Taro Hitosugi 表示，這兩項(xiàng)技術(shù)此前未用于電池研究，未來也可應(yīng)用于更多相關(guān)課題。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些結(jié)果揭示了固態(tài)電池內(nèi)部長(zhǎng)期存在但未被量化的機(jī)制，并為改進(jìn)方向提供了明確目標(biāo)。通過調(diào)整正極材料或重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有望減弱空間電荷層的形成，從而提升固態(tài)電池的充電速度與整體效率。

相關(guān)研究已于本月初發(fā)表于《ACS Nano》