科技日報記者 張佳欣
如果未來有一種電池，充一次電能讓手機用好幾天、電動車跑上千公里，而且還更安全，你會不會期待？
這種被寄予厚望的技術就是固態電池。它被認為是下一代電池的重要方向，但幾十年來始終卡在一個看似簡單卻極難解決的問題上，也就是一種叫“枝晶”的微小金屬裂紋。它們就像電池內部生長的微小樹枝，悄悄伸展，一旦刺穿電解質，就會導致短路，嚴重時甚至可能損壞電池或引發安全問題。這也是固態電池遲遲難以大規模應用的重要原因。
過去，科學家普遍認為，是枝晶的機械應力刺穿了電池。就像樹根把人行道頂裂一樣，枝晶生長時在電池內部不斷積累壓力，最終把電解質“撐裂”了。于是大家不斷嘗試把電解質做得更堅硬，希望枝晶長不動。但即便材料越來越硬，枝晶仍然頻頻出現，讓人不解。
最近，美國麻省理工學院的科學家終于發現，人們可能一直找錯了方向。
為了搞清楚枝晶到底是怎么生長的，他們專門設計了一款特殊的實驗電池，可以從側面直接觀察電解質內部發生的變化。同時，他們還開發了一種可直接測量材料內部應力的光學技術，其原理類似于偏光太陽鏡觀察玻璃應力時看到的彩色條紋。
結果出乎意料：枝晶生長越快，周圍的應力反而越低。換句話說，電解質并不是被“撐裂”的，而更像是先變脆了，然后才被突破。更讓人吃驚的是，枝晶形成時所需的應力，只有傳統機械理論預測值的約1/4。這意味著真正的問題不在于枝晶“力量太大”，而在于“電解質變脆了”。
進一步研究發現，這種變脆很可能來自電池工作時發生的電化學反應。當電流通過電池時，大量鋰離子會向枝晶尖端集中。這種高密度離子流引發電解質發生化學還原反應，導致材料結構分解并產生體積收縮，從而使其變得更加脆弱。科學家形象地比喻說，電解質在靜態測試時，堅硬程度接近牙齒，但在充電過程中卻可能變得像糖果一樣脆。
由于實驗所用材料已是固態電池中較穩定的一類電解質，科學家認為，這一機制可能具有普遍意義。未來的固態電池材料設計不僅要考慮機械強度，更需要關注的，可能是材料在電化學環境下的穩定性。
