林家齊、楊舜智、陳嘉晉 / 臺灣大學化工系
近年來在追求發展綠色能源的潮流下，安全且有效率的儲能裝置扮演著不可或缺的角色。其中，鋰離子電池因其高能量密度和優異的性能，成為當前儲能技術應用的焦點。傳統鋰離子電池中的液態電解質因其操作溫度受限，且具有易燃、漏液等潛在的安全隱憂，為了克服這些限制，固態電解質的研究應運而生。鋰電池是透過鋰離子的嵌入與脫嵌進行充電與放電，若電極和電解質的界面(Solid-electrolyte Interphase; SEI)的鋰離子濃度分布不均，則鋰金屬會逐漸堆積在陽極表面，形成如神經樹突的枝狀結晶，故稱為鋰枝晶(Lithium Dendrite)， 鋰枝晶及其他鋰金屬負極潛在的問題如圖一所示。固態電解質和傳統液態電解質在經過多次充、放電的循環後，同樣難以避免鋰枝晶的形成，若鋰枝晶繼續生長，將可能穿透電解質並與陰極接觸，導致電池短路、熱失控並造成爆炸等嚴重危害。為了延長電池的使用壽命，進一步提高其穩定性與安全性，系統性的觀察與分析固態電解質中鋰枝晶的生長情形並深入探討其機制是必要的研究。
圖一、鋰金屬負極失效問題的交互關聯
鋰枝晶的成因與生長機制
由於鋰金屬具有最低的氧化還原電位與高理論電容量，其被廣泛認為是作為負極的理想材料，然而鋰枝晶生長的問題阻礙其實際應用。鋰金屬負極因鋰枝晶穿刺而失效的簡易過程，如圖二所示。當電池充電時，鋰離子在鋰金屬負極表面還原並沉積，過程中SEI層會出現裂縫，從而導致沉積的鋰金屬不均勻。隨著循環次數增加，鋰金屬的沉積愈來愈不均勻，並在裂縫處進一步堆積，形成細長的枝晶結構，並逐漸向固態電解質內部生長，使得……
針對固態鋰電池，常見的鋰枝晶成因如下：
2. 物理結構缺陷
在鋰金屬電極的製備過程中，不可避免地存在缺陷和氧化鋰(Li2O)、碳酸鋰(Li2CO3)等雜質，致使其表面不平整而在電池中和電解質界面接觸不均，而在如鋰鑭鋯氧化物(Li7La3Zr2O12; LLZO)等陶瓷材料中，亦有研究證實其表面的碳酸鋰將使其失去親鋰性(Lithiophilicity)，造成和電解質間界面的不連續與不平整。鋰枝晶的生長亦可能與負極表面缺陷或不均勻性有關，於SEI層缺陷處的裂縫更是鋰枝晶的好發熱點。和高分子材料相比，無機陶瓷材料有……
圖三、(A)有機固態高分子電解質和(B)無機固態陶瓷電解質鋰枝晶生長機制
對鋰電池的危害
鋰枝晶的生長是鋰電池內部的一大隱患，前面提到若鋰枝晶刺穿固態電解質，將導致電池短路並伴隨劇烈的熱量釋放，不僅會使得電池性能迅速下降，還可能引發電池燃燒甚至爆炸，造成嚴重的安全問題。除了直接造成電池短路失效，鋰枝晶還將引起其他非立即性的危害如下：
1. 增加副反應
鋰枝晶的生長會破壞陽極和電解質原先平整的界面，使具高化學活性的鋰金屬有更多機會和固態電解質接觸形成新的界面，更多的界面使副反應更容易發生。此不可逆的副反應不僅會---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。