手机和电动汽车使用锂电池时，安全问题不容忽视。尽管全固态电池技术前景广阔，但在处理短路问题上，它仍存在一定的困难。不过，中国科学院的研究团队近期取得了重大进展，这或许能为整个行业带来新的希望。
科研新突破
近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的王春阳研究员领导的研究团队在国际科研领域取得了显著成就。他们采用原位透射电镜技术，首次详细解析了无机固态电解质中软短路向硬短路转变的详细过程，同时深入研究了其背后的锂析出动力学原理。这一重大发现已于5月20日，在《美国化学会会刊》上正式对外发布。
目前，锂电池在手机、电动汽车等设备中的应用已十分普遍，然而，液态锂电池存在的安全隐患确实不容忽视。鉴于此，科研人员正积极研究，努力开发出更为安全的“全固态电池”。这种电池采用固态电解质替换了液态电解液，并且能够与富含能量的锂金属负极相配合。这一创新性的成果，无疑为全固态电池的进一步发展打下了坚实的科学基础。
全固态电池潜力
全固态电池的进步空间广阔。与传统液态锂电池相比，其安全性有了明显提升。这得益于固态电解质的应用，它有效防止了液态电解液的泄露等潜在风险，保证了电池在使用过程中的稳定性和可靠性。以电动汽车为例，使用全固态电池可以大大降低因电池故障导致的安全事故风险。
同时，我们选用了能量密度更高的全固态锂金属负极，这一设计使得电池在续航方面表现更加出色。若此类电池应用于手机，则可能实现单次充电后提供更长的使用时长。这一改进不仅能够增强用户的使用感受，而且也更好地满足了未来电子设备对长续航能力的需求。
致命短路难题
然而，全固态电池技术遭遇了一个关键挑战——固态电解质有可能发生短路，从而使其功能丧失。通过原位电镜的观测，我们发现固态电解质内部存在诸如晶界和孔洞等缺陷。这些缺陷会引起锂金属的析出，并相互连接，最终构成电子通道，进而导致短路。这一短路问题给全固态电池的商业化推广带来了严重阻碍。在研发电池的过程中，产品测试环节可能会遭遇短路状况，这会导致先前投入的努力化为乌有，进而使得研发所需的成本和时间大幅提升。
短路过程可划分为两个阶段，首先是软短路，紧接着便是硬短路。在软短路这一阶段，锂金属会在纳米尺度上迅速沉积，并迅速建立起暂时的连接，这一过程与树根在晶界、孔洞等缺陷处生长相似，能迅速形成临时的导电路径。随着软短路现象的频繁发生以及短路电流的持续增强，最终将逐步导致硬短路的发生。
短路转变机制
软短路问题产生于锂金属在纳米级别上的积累及其快速形成的接触点。锂金属的扩散方式类似树根，它在固态电解质的缺陷中慢慢延伸。尽管这种扩散不易被人发现，但其中却潜藏着风险，因为锂金属已经开始在它微小的晶界和孔隙中展开其侵入。在实验室的测试中，研究人员得以观察到锂金属在这一微观层面的沉积情况。
在接下来的硬短路阶段，高频软短路事件频发，短路电流不断上升，固态电解质逐渐形成了具有记忆功能的导电路径，与此同时，绝缘性能逐渐减弱。以实际应用为依据，起初可能会出现电池电量突然异常减少的情况，这实际上是软短路在作怪；随后，电池可能完全失去使用功能，这正是硬短路所表现出的状态。
普遍失效机制
系统的研究表明，在众多无机固态电解质中，软短路和硬短路现象相当普遍。这一现象暗示着，许多正在被研发的无机固态电解质可能会遇到类似的问题。无论是研究无机固态电解质的哪个领域，都必须克服这一短路失效的难题。
在众多科研团队对多种无机固态电解质进行研究的实际操作中，大家普遍遇到了同样的短路问题，这种状况仿佛成了一种难以破解的“魔咒”，对全固态电池的发展造成了阻碍。只有破解这个“魔咒”，全固态电池才有可能进入商业化阶段。
研究解决方案
根据前述观察到的结果，研究团队选择了具有三维结构、电子绝缘和机械弹性的聚合物网络，成功开发出了一种无机与有机相融合的固态电解质。这种电解质能有效遏制锂金属在固态电解质中析出并形成连接，还能防止由此可能引发的短路问题。
实际测试结果显示，采用这种复合固态电解质的电池，其电化学稳定性得到了显著提高。数据显示，电池的使用寿命有所延长，同时短路事件也大幅减少。这一突破性的成果为全固态电池的商业化进程注入了新的动力，或许在不久的将来，我们就能享受到基于这一研究成果的全固态电池产品。
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