決定固態電池效能的「隱形電阻」在哪裡產生？其含量為多少？
德國和日本的研究團隊首次精確地觀察了奈米級空間電荷層，揭示了其真實本質。
德國馬克斯普朗克聚合物研究所 (MPI-P) 和東京大學的研究人員進行了一項研究，分析了全固態電池中的空間電荷效應。
利用先進的顯微鏡技術，研究團隊首次在全球範圍內成功量化了「空間電荷層」的空間範圍和電阻。此空間電荷層會在充放電過程中產生額外的電阻。分析表明，空間電荷效應主要發生在正極界面，形成一個厚度小於50奈米的極薄電荷層。研究發現，這個微小的電荷層約佔電池總電阻的7%。
研究團隊製備了一種薄膜模型電池，並結合開爾文探針力顯微鏡（KPFM）和核反應分析（NRA），在實際運行條件下分析了電池橫截面的電位分佈以及正極界面處的鋰積累情況。這項研究成果於2025年11月發表在《ACS Nano》雜誌上，為全固態電池的設計提供了新的想法。
從： 
德國研究人員對固態電池中的空間電荷進行了精確分析—electrive.com
【社論】
一直以來被認為是全固態電池實際應用中最大瓶頸的“界面問題”，如今正得到更深層的解決。在能量密度和安全性等指標的背後，正極與固態電解質界面形成的空間電荷層一直在悄悄降低電池性能。
這項研究的特別重要之處在於，它基於實際測量結果，量化了「空間電荷層的厚度及其所代表的電阻」。研究表明，厚度小於50奈米的奈米級層可以佔總電阻的約7%，這使得空間電荷——此前僅被視為理論上的「幹擾因素」——如今被明確地視為設計中必須妥善處理的參數。
此外，透過證明該層是一個「動態」實體，其行為會隨充電狀態而變化，這直接關係到快速充電和溫度環境變化時的電池設計。這也為驗證諸如「電阻在哪個SOC範圍內會增加？」以及「哪種電解液和正極的組合可以最大限度地減少這種影響？」等問題奠定了基礎。
這項技術的獨特之處在於，它將KPFM（表面電位測量）和NRA（元素分佈分析）這兩項測量技術應用於薄膜模型電池。這兩項技術先前已應用於電池以外的領域。透過探針掃描電池橫截面，即時觀察電位分佈，並同時檢測界面處的鋰離子積累，即可像原位觀察一樣確定「電位台階的位置和離子積累的位置」。
這是利用實際測量數據填補僅靠模擬或宏觀阻抗測量無法彌補的空白的結果。在全固態電池的研究中，「能量密度」和「循環壽命」往往是首要討論的指標，但我們最終開始能夠具體追蹤底層界面電位梯度和元素分佈的變化。
這一結果意味著材料開發的關鍵點現在可以轉化為更具體的指導原則。例如，未來的研究將更容易比較和驗證當正極材料的成分、晶體結構以及與固體電解質的接觸狀態發生變化時，空間電荷層厚度及其對電阻的貢獻如何變化。因此，即使在相同的能量密度下，也能更合理地設計出內阻更低的電池，以及能夠承受高電壓和高速充放電的介面設計。
另一方面，風險和挑戰也日益凸顯。空間電荷層的動態變化意味著界面狀態會根據使用歷史、溫度和荷電狀態 (SOC) 範圍發生顯著變化，這可能會增加退化機制的複雜性。此外，雖然這種奈米級分析在實驗室層面是一種強大的工具，但在大規模生產線上卻無法進行即時監測。 「如何將其轉化為現場品質控制指標」將是未來的重要課題。
然而，這對監管和行業的影響不容小覷。當固態電池全面應用於電動車和電網儲能時，評估項目不僅包括安全性，還將包括循環壽命、發熱量以及快速充電過程中的效率。諸如此類的測量技術或許能夠為相關的介面設計提供理論基礎。
從中長期來看，將介面行為納入考慮的評估標準可能會被納入ISO和IEC層級的測試規程以及國家認證測試中。可以預見，未來「介面控制方式」將成為各製造商的差異化優勢，而不僅僅是單一電池的規格參數。
[相關文章]
了解介面電阻如何影響性能，將使我們對下一代電池有更清晰的認識。
[術語]
全固態電池
這是使用固體材料而非液體作為電解質的二次電池的總稱。人們期望它能實現更高的能量密度和更好的安全性，目前針對電動車和儲能係統的研究和開發工作正在穩步推進。
空間電荷層/空間電荷效應
這是由於離子和電荷分佈不均勻而在電極和電解質界面附近形成的一層，它會產生電位階梯和額外的電阻，從而影響離子運動和電池性能。
開爾文探針力顯微鏡（KPFM ）
這是一種原子力顯微鏡（AFM），它測量探針與樣品之間的接觸電位差，並可視化奈米尺度的表面電位分佈。它用於繪製電池材料和裝置內部的電位分佈圖。
核反應分析（NRA）
此方法透過高能離子輻照樣品並分析核反應產生的粒子來確定特定元素的深度分佈。它常用於分析鋰等輕元素的分佈。
[參考連結]
馬克斯普朗克高分子研究所（外部）
這是德國美因茨高分子科學研究所的官方網站，提供有關材料科學和能源相關研究的資訊。
ACS Nano （外部）
這本由美國化學學會出版的奈米科學領域的國際期刊，收錄了許多關於全固態電池和介面分析的最新論文。
electrive.com （外部連結）
專注於電動出行的線上媒體，提供關於電動車、充電基礎設施和電池技術的英文新聞和分析。
東京大學工學部（外部）
東京大學工學研究生院和工學部的官方網站提供了有關電池相關實驗室（如能源工程和材料工程）的資訊。
[參考影片]
[參考文章]
採用全固態電池（外接），更高、更快、更遠。
MPI-P 的新聞稿詳細介紹了測量結果，其中包括空間電荷層厚度小於 50 奈米，約佔總電阻的 7%。
固態電池電極材料和界面表徵（外部）
在 ACS Chemical Reviews 的一篇綜述中，作者有系統地整理了全固態電池的電極和界面評估方法，並概述了 KPFM 和 NRA 的定位。
鋰離子電池快速充電：材料方面的綜述（外部連結）
本篇綜述總結了快速充電過程中出現的材料和介面問題，並為思考全固態電池研究可能對快速充電和衰減行為的影響提供了背景資料。
[編者註]
本文探討了一個核心主題：如何設計固態電池的「隱形介面」。如果您對電動車和儲能電池稍感興趣，不僅關注車輛本身，也關注其內部運作，我們鼓勵您嘗試用文字描述您心目中的「理想電池」。
無論是安全性、充電速度或使用壽命——取決於你重視什麼，你對這類研究的看法肯定會改變。我希望我們能繼續攜手探索這類「尖端技術」。
