一个探头因施加的压力而弯曲，导致充满锂的固体电解质断裂。右边探头没有压在陶瓷表面上的电解液和锂板上。

采用固体电解质的新型锂金属电池重量轻，易燃，能量大，充电速度很快，但由于神秘的短路和故障，它们的发展一直很慢。现在，斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员表示，他们已经解开了这个谜团。

它归结为应力-更准确地说是机械应力-特别是在强力充电期间。

“电池的适度压痕，弯曲或扭曲会导致材料中的纳米裂缝打开，锂侵入固体电解质，导致其短路，”资深作者WilliamChueh解释说，他是工程学院材料科学与工程副教授，以及新的斯坦福多尔可持续发展学院能源科学与工程副教授。

“即使是制造过程中引入的灰尘或其他杂质也会产生足够的压力导致故障，”与机械工程助理教授WendyGu一起指导这项研究的Chueh说。

固体电解质失效的问题并不新鲜，许多人已经研究了这种现象。关于究竟是什么原因的理论比比皆是。有人说电子的意外流动是罪魁祸首，而另一些人则指出化学。然而，其他人则认为不同的力量在起作用。

在1月30日发表在《自然能源》杂志上的一项研究中，共同主要作者GeoffMcConohy，XinXu和TengCui在严格的，具有统计学意义的实验中解释了纳米级缺陷和机械应力如何导致固体电解质失效。世界各地的科学家试图开发新的固体电解质可充电电池，可以围绕这个问题进行设计，甚至可以将这一发现转化为他们的优势，因为斯坦福大学团队现在正在研究的大部分内容。能量密集、快速充电、不易燃的锂金属电池可以持续很长时间，可以克服电动汽车广泛使用的主要障碍，以及许多其他好处。

统计显著性

当今许多领先的固体电解质都是陶瓷。它们能够快速传输锂离子，并在物理上分离存储能量的两个电极。最重要的是，它们是防火的。但是，就像我们家中的陶瓷一样，它们的表面可能会产生微小的裂缝。

研究人员通过60多次实验证明，陶瓷通常充满纳米级裂纹，凹痕和裂缝，许多小于20纳米宽。（一张纸大约，纳米厚。Chueh和团队说，在快速充电过程中，这些固有的裂缝会打开，允许锂侵入。

在每个实验中，研究人员将电探针应用于固体电解质，创建一个微型电池，并使用电子显微镜实时观察快速充电。随后，他们使用离子束作为手术刀来理解为什么锂在某些位置聚集在陶瓷表面，而在其他位置它开始挖洞，越来越深，直到锂桥穿过固体电解质，产生短路。

区别在于压力。当电探针仅接触电解质表面时，即使电池在不到一分钟的时间内充电，锂也会精美地聚集在电解质上。然而，当探头压入陶瓷电解质，模仿压痕、弯曲和扭曲的机械应力时，电池更有可能短路。

理论付诸实践

现实世界的固态电池由一层又一层的阴极电解质阳极片堆叠而成。电解质的作用是物理分离阴极和阳极，但允许锂离子在两者之间自由传播。如果阴极和阳极接触或以任何方式进行电气连接，例如通过金属锂隧道，则会发生短路。

正如Chueh和团队所展示的那样，即使是在电解质和锂阳极之间捕获的细微弯曲，轻微扭曲或灰尘斑点也会导致难以察觉的缝隙。

“如果有机会钻入电解质，锂最终将蜿蜒穿过，连接阴极和阳极，”McConohy说，他去年在Chueh的实验室完成了博士学位，现在在工业界工作。“当这种情况发生时，电池就会失效。

研究人员说，新的理解被反复证明。他们使用扫描电子显微镜记录了该过程的视频-与无法看到纯未经测试的电解质中新生裂缝的相同显微镜相同。

这有点像在其他完美的路面上出现坑洼的方式，徐解释说。在雨雪中，汽车轮胎将水捣入人行道上预先存在的微小缺陷中，从而产生不断扩大的裂缝，这些裂缝会随着时间的推移而扩大。

“锂实际上是一种软材料，但是，就像坑洼类比中的水一样，只需要压力来扩大间隙并导致故障，”Chueh实验室的博士后学者徐说。

有了他们的新理解，Chueh的团队正在寻找在制造过程中有意使用这些相同的机械力来增韧材料的方法，就像铁匠在生产过程中对刀片进行退火一样。他们还在寻找涂覆电解质表面的方法，以防止裂缝或在出现裂缝时修复它们。

“这些改进都始于一个问题：为什么？”顾实验室的博士后学者崔说。我们是工程师。我们能做的最重要的事情就是找出为什么会发生某些事情。一旦我们知道了这一点，我们就可以改进事情。