科学家首次精确捕捉固态电池内部隐藏阻力
在推动新能源技术发展的进程中，固态电池因其固态电解质的非挥发性与非易燃特性，被视为下一代电池的重要候选方案。这类电池不仅能够提供更高的能量密度与电压，还具备更强的安全性能，广泛适用于电动汽车及大规模储能系统。
然而，固态电池的性能提升仍面临一个长期未解的技术难题——空间电荷层效应。这种现象发生在电池内部电极与电解质界面，导致局部电荷聚集，增加内阻，从而制约了电池的充放电效率。
虽然科研人员早已在理论层面确认了空间电荷层的存在，但其在电池运行状态下的实际厚度与对系统性能的具体影响，始终缺乏直接测量数据。
为攻克这一难题，德国马普高分子研究所（MPI-P）联合多个国际研究团队，首次在运行中的固态锂离子电池中，实现了对正极界面空间电荷层的微观结构分析。研究团队采用先进的显微成像方法，成功测定了该区域的厚度及其对电池整体阻抗的影响。
MPI-P 研究组负责人 Rüdiger Berger 将电池的充放电过程类比为离子在电解质中的“运输系统”。他指出，当锂离子在正极界面迁移时，会在特定区域形成局部电荷堆积，类似交通高峰时的“拥堵”，阻碍了离子的进一步移动。
研究数据显示，这一电荷层通常集中在正极表面，其厚度小于 50 纳米，与肥皂泡薄膜的厚度相当。尽管尺寸极小，却在总内阻中贡献了约 7% 的比例，并可能随着不同材料体系的应用进一步上升。
此前，关于空间电荷层厚度的估算存在较大差异，且大多基于静态模型，缺乏在电池运行状态下的原位测量。此次研究创新性地构建了薄膜模型电池，并首次在电池研究中结合开尔文探针力显微镜（KPFM）和核反应分析（NRA）技术，实现了高精度的界面观测。
具体而言，KPFM 能够通过纳米级探针扫描电池截面，实时捕捉局部电势分布；而 NRA 则用于精确测定正极界面的锂离子浓度。东京大学研究员 Taro Hitosugi 指出，这两项技术此前尚未在电池研究中应用，未来有望拓展至更多关键界面研究。
研究团队认为，这一成果揭示了固态电池内部一个长期存在的关键机制，并为优化其性能提供了明确的技术路径。通过调整正极材料组成或界面结构设计，可望有效抑制空间电荷层的形成，从而提升固态电池的充放电速率与能量效率。
该研究成果已于近期发表于《ACS Nano》杂志。