使用固态金属作为载电电解质的电池，在理论上有望比传统锂离子电池更安全、能量密度更高。然而，这类固态电池长期受制于一种被称为“枝晶”的金属裂纹：一旦枝晶穿透电解质层，就会造成内部短路，严重限制了这项技术的大规模应用。

过去几十年，主流观点认为枝晶主要由机械应力驱动——类似树根在地下生长，最终把人行道“顶裂”。但麻省理工学院工程师的一项新实验却得出了相反结论：在一种常用的固态电解质材料中，枝晶生长得越快，测得的局部应力反而越低。通过新开发的直接测量方法，研究人员发现裂纹在仅约为传统机械理论预测值 25% 的应力水平下就会形成。

这项发表在《自然》上的研究指出，真正关键的因素是高电流下的电化学反应：电流驱动的化学变化会先削弱电解质，使其变得更脆，更容易被枝晶“攻破”。此前已有理论推测化学反应参与枝晶形成，但这次实验首次给出了化学效应与机械应力耦合的直接证据。

论文第一作者、材料科学与工程博士生 Cole Fincher 表示：“通过直接测量，我们可以在电池循环过程中看到材料韧性是如何变化的。如果只在实验台上测试，这种陶瓷电解质的韧性大致和你的牙齿差不多。但一旦进入充电过程，它会变得脆得多，更像一根棒棒糖。”

这一发现解释了为什么单纯提升电解质的机械强度并没有根除枝晶问题，也凸显了化学稳定性的重要性：要真正实现高能量密度固态电池，就必须同时兼顾机械韧性和电化学稳定性。

麻省理工学院材料科学与工程系 Kyocera 教授、论文通讯作者 Yet-Ming Chiang 指出：“很多团队都在努力寻找和设计更好的固态电解质，以推动固态电池发展。这项研究为这些工作提供了新的方向。我们揭示了一种此前未被充分认识的枝晶生长机制，从而可以围绕它来设计材料和结构，绕开这一失效路径。”

枝晶与应力：长期误解被推翻

自 20 世纪 70 年代以来，枝晶一直是电池技术发展的主要障碍之一。锂离子电池之所以能成为主流，一个重要原因是其常用的石墨负极不易形成枝晶。而理论上，如果采用锂金属负极配合固态电解质，单位体积和重量可储存更多能量，有望带来续航更长的手机、笔记本电脑，以及续航里程可达现有电动车两倍的电动汽车。

“锂金属是锂中能量密度最高的形态。”Chiang 说，“但枝晶问题一直卡住了固态电池的进展。”

锂金属本身非常柔软，类似太妃糖。Fincher 在 Chiang 和麻省理工 Toyota 材料加工教授 W. Craig Carter 的实验室研究枝晶时，最初也困惑：如此柔软的材料，为什么能穿透固态电池中像陶瓷一样坚硬的电解质？

“这些应用中使用的陶瓷电解质非常硬，就像咖啡杯那样。因此人们自然会认为，它们应该能阻挡这种相对柔软的枝晶。”Fincher 解释道。

长期以来，研究者普遍认为是机械应力推动枝晶扩展，因此主要思路是开发更能承受高应力的强韧电解质。也有人提出化学反应可能参与其中，但化学效应与机械应力究竟如何共同作用，一直缺乏直接实验验证。

在这项研究中，团队的目标是：在枝晶实际生长的过程中，直接观测一种常用固态电解质材料的机械状态和化学变化。由于固态电池通常是“三明治”结构，中间的电解质层难以直接看到，研究人员专门设计了一种特殊的固态电池单元，可以从侧面观察陶瓷电解质层，实时追踪枝晶在其中的生长轨迹。

同时，团队采用了双折射显微技术，对枝晶周围的应力进行精确测量。这一技术也是 Fincher 博士论文工作的一部分。

他解释说：“原理和你戴偏光太阳镜看汽车挡风玻璃类似。光穿过玻璃时，内部残余应力会让不同方向的光传播速度不同，从而出现彩虹状的花纹。通过分析这些花纹，我们就能反推出应力分布。”

借助这项技术，研究人员首次在枝晶活跃生长的同时，既能“看见”它们，又能量化周围的应力场，结果却出乎意料。

“直觉上，你会认为枝晶长得越快，产生的应力越大。”Chiang 说，“但我们看到的是完全相反的情况：生长越快，应力越低。这说明固态电解质在更低的应力下就已经破裂，材料本身变得更脆弱了。”

实验表明，枝晶形成和扩展所需的应力远低于传统机械模型的预测。Fincher 将这种状态下的电解质形容为“电化学腐蚀”后的弱化材料。

Chiang 打了个比方：“就好像你今天测一块玻璃的强度，明天再测，它只剩下原来的四分之一。这是非常出人意料的。”

在 MIT 教授 LeBeau 的带领下，团队进一步将电解质冷却到极低温度，并使用低温扫描透射电子显微镜，在接近原子尺度上观察枝晶附近区域。结果显示，离子电流通过材料时触发的化学反应，会让电解质结构发生变化，从而变得更加脆弱。

“电流驱动锂离子穿过固态电解质。”Chiang 解释说，“在枝晶尖端附近，锂离子流动高度集中。我们认为，这会引发电解质化合物的化学还原，使其分解成新的相。原本晶态的电解质在沉积后体积收缩，这与我们观察到的脆化现象是一致的。”

向更可靠的固态电池迈进

这次实验选用的是目前固态电池中应用最广、稳定性最高的一类电解质材料之一，这让研究团队有理由相信，结论对其他固态电解质也具有代表性。

“这告诉我们，必须寻找在与锂金属这种强还原性材料接触时仍然足够稳定的电解质。”Chiang 说，“这会直接影响未来新材料的筛选和设计方向。”

例如，在更清楚地了解导致脆化的化学变化之后，研究人员可以主动寻找那些在裂纹扩展过程中反而会“增韧”的材料体系，或者在结构设计上引入能缓解局部化学还原和应力集中的策略。

团队也强调，目前还需要更多工作来精确识别和量化那些削弱电解质的具体电化学反应路径。不过，他们认为，这种能够直接观测和测量应力演化的方法，不仅有助于改进固态电池材料，也同样适用于燃料电池、电解槽等其他电化学设备中的关键材料优化。

本文根据 MIT 新闻（web.mit.edu/newsoffice/）授权内容编译，该网站专注报道 MIT 的研究、创新与教学相关资讯。