臨界電流密度性能翻倍，美國科學家新方法解決固態電池“內傷”

IT之家 11 月 5 日消息，科技媒體 techxplore 昨日（11 月 4 日）發布博文，報道稱得克薩斯大學奧斯汀分校領導的科研團隊在全固態電池領域取得突破，開發出一種新型氧化鋯改性石榴石電解質，提升電池性能的同時，也成功降低了制造成本。

IT之家援引博文介紹，目前主流的鋰離子電池普遍采用有機液態電解質，這種類似楓糖漿（Maple-syrup）的物質是電池內部鋰離子穿梭的通道。

盡管技術成熟，但液態電解質本質上是碳氫化合物，是頻發電池起火事故中的“燃料”，導致了嚴重的熱失控風險。因此，開發下一代更安全、能量密度更高的全固態電池已成為行業核心目標。

相比之下，基于陶瓷的固態電解質不含可燃物，能夠從根本上降低火災風險。然而，陶瓷電解質自身也面臨著成本高昂、制造品控困難，以及金屬枝晶生長導致內部短路過早失效等嚴峻挑戰。

其中，基于石榴石結構的氧化物陶瓷因其獨特的晶體結構能讓鋰離子快速移動，被視為理想材料，但即便是它也未能完全克服枝晶難題。

由得克薩斯大學奧斯汀分校領導，集結了四所大學與三家國家實驗室的團隊，為全固態電池技術開發出一種新方法，解決了這一瓶頸。

氧化鋯增強型電解液（左圖）避免了基準樣品（右圖）中出現的裂紋。圖片來源：David Mitlin

團隊受珠寶匠打磨寶石的啟發，通過在石榴石晶粒中均勻分散微米級的氧化鋯顆粒，成功抑制了電解質內部的裂紋和枝晶形成。同時，該方法利用碳化物添加劑在制造過程中放熱分解的特性，降低了外部加工溫度，從而進一步削減了生產成本。

論文共同第一作者、博士后研究員 Yixian Wang 表示，氧化鋯在此處發揮了雙重作用：它既幫助材料致密化，又防止了煩人的鋰枝晶形成，實現了性能與安全的雙贏。

更重要的是，這項技術還帶來了額外的經濟效益。研究中使用的碳化物添加劑在制造過程中會放熱分解，為合成反應提供額外熱量，從而降低了外部加工所需的溫度，有效削減了生產成本。

測試結果顯示，與未經改性的材料相比，這種新型氧化鋯改性石榴石的臨界電流密度（材料短路前能承受的最大電流）提升了近一倍，意味著電池可以在不犧牲安全性的前提下，以更高功率運行。

IT之家注：臨界電流密度是衡量電池性能和安全性的一個關鍵指標，指電池在不發生短路或損壞（如長出枝晶）的情況下，所能承受的最大充放電電流強度。這個值越高，意味著電池可以支持更快的充電速度和更強大的功率輸出。