11 月 30 日消息，固態(tài)電池被視為下一代更安全、高性能儲能技術(shù)，因其固態(tài)電解質(zhì)不會泄漏或燃燒，有望在電動汽車和固定式儲能領(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)部存在一種長期被關(guān)注卻未被準(zhǔn)確測量的問題：空間電荷層。它會在電池內(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空間電荷層的存在，但其真實厚度與對電池性能的具體影響一直無法在工作狀態(tài)下直接測量。

對此，德國馬普高分子研究所（MPI-P）聯(lián)合國際研究團隊首次在運行中的固態(tài)鋰電池中繪制出這一界面區(qū)域的實際結(jié)構(gòu)。研究團隊利用先進顯微技術(shù)，測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，會在界面處形成局部電荷堆積，從而對后續(xù)遷移的離子產(chǎn)生排斥，類似于關(guān)鍵節(jié)點出現(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，但卻貢獻了約 7% 的電池內(nèi)部總阻力，且其影響可能會隨材料不同而進一步增加。

此前，各研究機構(gòu)對空間電荷層厚度的估計差異較大，且缺乏在電池實際運行過程中獲得的測量數(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），實現(xiàn)了更精確的原位觀測。

KPFM 通過超精細探針掃描電池截面，可實時監(jiān)測局部電壓分布；NRA 則直接測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。

研究團隊認為，這些結(jié)果揭示了固態(tài)電池內(nèi)部長期存在但未被量化的機制，并為改進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》