科学家首次测量固态电池“隐形阻力”：50 纳米电荷层影响 7% 性能

东苑

固态电池被视为下一代更安全、高性能储能技术，因其固态电解质不会泄漏或燃烧，有望在电动汽车和固定式储能领域带来更高电压、更大容量和更好的安全性。

然而，这类电池内部存在一种长期被关注却未被准确测量的问题：空间电荷层。它会在电池内部界面形成电荷堆积，增加阻力，从而影响充放电效率。

尽管研究人员早已确认空间电荷层的存在，但其真实厚度与对电池性能的具体影响一直无法在工作状态下直接测量。

对此，德国马普高分子研究所（MPI-P）联合国际研究团队首次在运行中的固态锂电池中绘制出这一界面区域的实际结构。研究团队利用先进显微技术，测量了正极处空间电荷层的厚度及其造成的额外阻力。



根据 MPI-P 研究组负责人 Rüdiger Berger 的描述，电池可被视作一种“泵”，离子在固态电解质中迁移时，会在界面处形成局部电荷堆积，从而对后续迁移的离子产生排斥，类似于关键节点出现“交通堵塞”。

研究结果显示，这一电荷层主要出现在正极区域，其厚度不足 50 纳米，接近肥皂泡薄膜的尺度。尽管尺寸极小，但却贡献了约 7% 的电池内部总阻力，且其影响可能会随材料不同而进一步增加。



此前，各研究机构对空间电荷层厚度的估计差异较大，且缺乏在电池实际运行过程中获得的测量数据。此次研究通过构建薄膜模型电池，并首次在电池研究中结合使用开尔文探针力显微镜（KPFM）和核反应分析（NRA），实现了更精确的原位观测。



KPFM 通过超精细探针扫描电池截面，可实时监测局部电压分布；NRA 则直接测量正极界面的锂离子累积情况。东京大学的 Taro Hitosugi 表示，这两项技术此前未用于电池研究，未来也可应用于更多相关课题。

研究团队认为，这些结果揭示了固态电池内部长期存在但未被量化的机制，并为改进方向提供了明确目标。通过调整正极材料或重新设计结构，有望减弱空间电荷层的形成，从而提升固态电池的充电速度与整体效率。

hcyw2008

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