固態電池被視為下一代儲能技術的關鍵方向，其憑借更高的電壓、更大的容量以及更強的安全性，有望在電動汽車和固定能源系統中取代傳統鋰離子電池。與傳統電池不同，固態電池采用不會泄漏或燃燒的固態電解質，這一特性使其成為能源領域備受矚目的創新方案。然而，這類先進電池并非完美無缺，其內部存在一種被稱為“空間電荷”的現象，正悄然制約著性能的提升。
空間電荷是指電池內部界面處積聚的電荷，這些電荷會形成額外的電阻，阻礙充放電過程的順利進行。盡管研究人員多年前就已發現這一現象的存在，但始終未能精確測量其尺寸，也無法明確其對電池工作性能的具體影響。這種“隱形屏障”如同交通樞紐的堵塞，限制了離子在電池內部的自由遷移，成為固態電池技術突破的一大瓶頸。
近日，德國馬克斯·普朗克聚合物研究所的科學家與日本高校合作，首次成功繪制出運行中鋰固態電池內部空間電荷區域的精確圖譜。這一突破得益于兩種先進顯微技術的結合應用：開爾文探針力顯微鏡（KPFM）和核反應分析（NRA）。通過構建薄膜模型電池，研究團隊得以在電池工作狀態下完成關鍵測量，攻克了長期困擾學界的難題。
MPI-P課題組負責人呂迪格·伯格將電池比作一種“泵”，解釋了離子在內部穿梭、電子在外部流動以平衡電荷的過程。他指出，當離子在固態電解質中遷移時，會在界面處形成局部電荷積聚，這種現象會排斥其他遷移離子，導致效率下降。研究團隊發現，這一效應主要發生在正極處，形成的空間電荷層厚度不足50納米，僅相當于肥皂泡表面的薄度。盡管尺寸微小，該電荷層卻貢獻了電池總電阻的約7%，若采用不同材料，其影響可能更為顯著。
在測量技術方面，KPFM技術通過超細探針掃描電池橫截面，實時觀測局部電壓影響并監測電勢變化；而NRA技術則直接測量了正極界面處的鋰積聚量。這兩種技術的結合為電池研究提供了前所未有的精度。東京大學一木太郎表示：“這兩種技術都是電池研究領域的新突破，未來也可應用于其他課題研究。”
此前，不同實驗室使用不同工具對電荷層厚度的估算始終存在爭議，且無人能在電池工作狀態下完成測量。此次研究的成功不僅填補了這一空白，更揭示了固態電池內部長期未被理解的運行機制。通過改良電極材料或重新設計結構，工程師或許能找到抑制空間電荷積聚的方法，從而實現更快速、高效的充電技術。
該研究成果已發表于《美國化學學會納米》期刊，為固態電池的性能優化指明了方向。隨著技術的不斷進步，這一領域的研究有望推動下一代儲能技術的實際應用，為能源領域帶來新的變革。
