银解决了固态电池的一大难题

斯坦福大学研究人员在三年前发表的关于固体电解质微小裂纹、凹痕及表面缺陷形成与扩展机制的研究基础上，找到了一种潜在解决方案。他们发现，对固体电解质表面极薄的银层进行热处理，可显著防止此类损伤。

《自然·材料》杂志1月16日报道，经银处理的表面对机械压力导致的开裂抵抗力提升了五倍，同时还能降低锂渗入已有表面缺陷的风险。这种锂渗入在快速充电时危害极大，可能使微裂纹扩大为深层通道，造成电池永久退化。

### 为何裂纹难以消除
机械工程副教授、研究资深作者温迪·顾（Wendy Gu）解释：“我们研究的固体电解质是一种陶瓷，虽能让锂离子顺畅穿梭，但质地较脆。在纳米尺度上，它类似家中有微裂纹的陶瓷盘碗。”她指出，制造中消除所有缺陷不现实：“实际固态电池由阴极-电解质-阳极薄片堆叠而成，做到毫无瑕疵几乎不可能且成本极高。因此，保护性表面更可行，少量银就能起到不错效果。”

### 银-锂的“替换游戏”
其他团队曾研究在该固体电解质（锂、镧、锆、氧的化合物，简称LLZO）表面镀金属银，而斯坦福团队采用不同方法——使用失去一个电子的溶解态银离子（Ag+）。这种带正电的银离子与固态金属银性能迥异，正是它增强了陶瓷强度并减少开裂倾向。

### 银处理的原理
研究团队在LLZO样品表面覆盖3纳米厚的银层，然后加热至300摄氏度（572华氏度）。加热过程中，银原子进入电解质表面，在多孔晶体结构中取代更小的锂原子，这个过程影响表面下20-50纳米深度。关键的是，银始终保持带正电的离子态，而非转化为金属银，研究人员认为这是防裂的核心。在已有微缺陷处，银离子还能阻止锂进入并形成破坏性内部结构。

领导研究的斯坦福大学前博士后学者、现任亚利桑那州立大学工程学助理教授徐鑫表示：“我们的研究表明，纳米级银掺杂能从根本上改变电解质表面裂纹的产生与扩展方式，可制备用于下一代储能技术的耐用、抗失效固体电解质。”他还提到：“这种方法或可推广到多种陶瓷，证明超薄表面涂层能降低电解质脆性，使其在快速充电、压力等极端电化学和机械条件下更稳定。”徐鑫曾在斯坦福大学威廉·楚（William Chueh）教授实验室工作，楚教授是研究资深作者、普雷科特能源研究所所长（隶属斯坦福大学多尔可持续发展学院）。

为测试处理后材料的强度，研究人员在扫描电子显微镜中用专用探针测量开裂所需压力，发现经银处理的材料比未处理样品开裂所需压力高近五倍。

### 固态电池的下一步
目前实验集中于小型局部区域，尚未涉及完整电池单元。这种银基方法能否扩展到大型电池、与其他组件集成，以及在数千次充电循环后保持性能，仍需验证。

团队正研究完整锂金属固态电池单元，探索不同角度机械压力对延长电池寿命的作用，同时测试硫基等其他固体电解质（与锂搭配时化学稳定性更佳）。研究人员还看到锂以外的应用潜力：钠基电池或可采用类似策略，缓解锂需求带来的供应链压力。

银并非唯一选择。研究人员称，只要金属离子大于被取代的锂离子，其他金属也可能有效。铜在早期测试中显示一定效果，但不如银显著。

该研究的其他资深作者包括布朗大学工程学教授齐岳（Yue Qi）。斯坦福大学与徐鑫共同领衔的作者有现任滑铁卢大学助理教授崔腾、Orca Sciences研究工程师杰夫·麦康诺希，以及在读博士生塞缪尔·S·李。布朗大学校友、Metal Light, Inc.首席技术官哈什·贾加德也是共同领衔作者。