【2023年02月07日訊】（記者李宛鴻編譯報導）在尋找新一代電池的陽極材料時，鋰金屬是目前最好的選擇。由於其高容量、低密度和非易燃性的特點，鋰金屬電池可以很大程度上改變電動車及綠色科技革命。
然而其中卻有個致命的問題，即鋰金屬電池往往容易因極小的陶瓷電解質裂縫，也就是鋰金屬晶枝（dendrites）而造成短路。
材料科學家長期以來一直在尋找其發生的原因，從而設計出能避開此不利情況的電池，這個難題也被稱為材料科學界的聖杯。現在，科學家可能終於找到答案了。
1月30日，來自史丹佛大學及SLAC國家加速器實驗室的研究人員，提出證據解釋了為何鋰電池中會形成樹枝狀鋰晶枝。
先前的理論籠統地認為，可能是一些非預期的電子流或是某些不明化學問題導致電池故障。然而經過六十多次的實驗後，研究員最新發現，電池在快速充電的壓力下，陶瓷固態電解質中會出現極微小的奈米級裂縫。有些裂縫的寬度只有20奈米，而一根頭髮的寬度大約是8萬奈米。
這些裂縫將使電池的陽極和陰極之間形成鋰金屬「橋梁」，造成短路。該研究結果發表於1月30日的《自然‧能源》期刊。
「電池只要有小小的坑洞、彎曲或扭曲，就可導致材料中出現奈米級裂縫，進而使鋰入侵至固態電解質而引起短路。」研究的主要共同作者威廉．闕（William Chueh，音譯）表示。「即使是製造過程中摻入的灰塵或其他雜質，也能產生足夠的壓力導致故障。」
為了了解鋰鑽入特定區域並造成短路的原因，研究人員結合電探頭與電解質，製造出一種微型電池。當電池處於靜止狀態時，鋰陽極會按照設計正常表現。然而一旦有任何坑洞、彎曲或扭曲，以及製造過程中所聚集的一點點灰塵，即會增加故障的可能性。
另一位主要共同作者徐新（Xin Xu，音譯）將此過程比作路面坑洞的形成。當輪胎不斷將雨雪擠壓至路面上的小縫隙之中，就會導致路面結構崩壞日益嚴重。儘管是相對來說極小的規模，此情況同樣發生在鋰金屬電池中。
幸運的是，這並不代表鋰金屬未來沒有發展機會，事實上，這次的發現是個好消息。
工程師們可將本次研究的發現納入鋰金屬電池的設計考量，以避免上述問題的產生。該論文作者也提到，他們目前正在研究如何能於製造過程中加強電解質，以及發展不同的塗層方法來覆蓋陶瓷屏障（ceramic barrier），使其在破損產生時能自行維修。
2019年，史丹佛SLAC國家加速器實驗室曾研發一種方法，使鋰金屬電池在循環使用160次後，還能保有85%的電容量。與先前只剩30%相比，這是相當顯著的進步。
「這些進步都開始於一個問題：為什麼？」本篇論文的共同作者崔騰（Teng Cui，音譯）表示。「一旦我們知道答案，我們就能向前邁進。」
現在，研究人員已經明確地知道了針對鋰電池短路問題的答案。鋰金屬的未來不再是會不會到來的問題，而只是何時會到來的問題。◇
