全固态锂电池通过以固态电解质替代易燃的有机电解液，并兼容高容量锂金属负极，有望实现远超传统液态锂离子电池的安全性和能量密度，并实现在极低温、高温等极端环境下的应用。然而，目前固态电解质本身的锂离子传输稳定性及析锂（锂离子在电解质内部得电子被还原）引发的短路问题，仍是制约全固态电池发展的关键瓶颈之一。然而，到目前为止，受限于光学显微镜、扫描电镜和同步辐射X成像等技术的空间分辨率限制，固态电解质短路失效的纳米尺度起源尚不明确。
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心王春阳研究员联合加州大学尔湾分校忻获麟教授、麻省理工学院李巨教授，在全固态电池失效机制研究方面取得重要突破。研究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，研究成果以“Nanoscale Origin of the Soft-to-Hard Short-Circuit Transition in Inorganic Solid-State Electrolytes”为题于5月20日发表在《美国化学会会刊》（Journal of the American Chemical Society）。材料结构与缺陷研究部王春阳研究员为论文第一作者兼共同通讯作者。
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（其本质是动态可逆的非法拉第电子击穿）源于纳米尺度上锂金属的析出与瞬时互连。随后，伴随着软短路的高频发生和短路电流增加，固态电解质逐渐从名义上的电子绝缘体转变为类忆阻器的非线性电子导体状态，最终导致固态电池发生硬短路。在此过程中，缺陷诱导的纳米尺度析锂和“浸润”导致多晶固态电解质发生“类液态金属脆化”开裂，这是固态电解质发生软短路到硬短路转变的本质原因。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。
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图1. 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
图2. 锂金属析出—电解质短路动力学的原位电镜观察
图3. 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
图4. 有机—无机复合固态电解质中的稳定锂离子传输
AI读进展：科学家首次揭示固态电池短路的纳米级秘密
传统锂电池为何容易起火？
我们日常使用的手机、电动汽车都依赖锂电池供电。但液态锂电池存在安全隐患——内部的有机电解液就像易燃的"汽油"，一旦电池受损就可能引发火灾。科学家们正在研发更安全的"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。
短路之谜的纳米级突破
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心王春阳研究员联合国际团队近期取得重要突破，借助原位透射电镜技术首次观察到：
- 短路分两步走
- 软短路阶段：锂金属像树根一样沿着晶界、孔洞等缺陷生长，形成瞬间导电通路（类似电灯短时闪烁）
- 硬短路阶段：持续电流导致电解质变成类似U盘的"记忆电阻器"，最终形成永久导电通道
- 脆化开裂的元凶
多晶电解质内部析出的锂金属会产生类似"液态金属腐蚀"效应，就像水银渗入金属缝隙导致开裂 - 普遍存在的隐患
这种失效机制在NASICON型（如LATP）和石榴石型（如LLZO）两类主流固态电解质中都存在
科学家的破解之道
研究团队开发出新型复合电解质：
- 三维弹性聚合物网络：像防弹衣般包裹无机材料
- 双重防护：既绝缘又缓冲机械应力
- 实际效果：有效阻止锂金属析出和蔓延
这项突破的意义
①首次在原子尺度揭示短路机制
②为设计更安全的电解质指明方向
③展示电子显微镜在新能源研究中的强大威力
声明：“AI读进展”内容由人工智能技术生成，其内容旨在辅助读者初步了解相关领域研究动态，不代表中国科学院金属研究所正式学术观点或完整研究成果，不作为学术论证依据。
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