固態電池被視為下一代儲能技術的核心方向，其安全性與能量密度遠超傳統鋰離子電池，但內部隱藏的“隱形屏障”正成為制約性能的關鍵因素。科學家發現，固態電池在充放電過程中，電極與電解質界面會形成納米級空間電荷層，這些微小區域雖薄如肥皂泡表面，卻能顯著增加電池內阻，影響整體效率。
與傳統液態電解質電池不同，固態電池采用不可燃的固態材料作為離子傳輸介質，理論上能實現更高電壓與更大容量。然而，當離子在固態電解質中遷移時，會在電極界面處形成局部電荷堆積，形成類似“交通堵塞”的效應，阻礙其他離子通過。這一現象雖早已被觀測到，但受限于測量技術，其具體尺寸與對電池性能的影響始終未被量化。
德國馬克斯·普朗克聚合物研究所與日本研究團隊通過合作，首次在運行中的鋰固態電池內精確繪制了空間電荷層的分布圖。研究顯示，正極界面的電荷層厚度不足50納米，僅占電池總厚度的極小比例，卻貢獻了約7%的內阻。若采用不同電極材料，這一比例可能進一步升高，成為制約電池快充與高容量設計的瓶頸。
為攻克測量難題，研究團隊開發了薄膜模型電池，并結合兩種創新技術：開爾文探針力顯微鏡（KPFM）與核反應分析（NRA）。KPFM通過超細探針掃描電池橫截面，實時捕捉局部電勢變化；NRA則直接量化正極界面的鋰離子堆積量。東京大學研究員一木太郎指出，這兩種技術為電池研究開辟了新路徑，未來可應用于其他復雜材料體系的界面分析。
研究負責人呂迪格·伯格將電池工作原理類比為“離子泵”：離子在內部穿梭，電子在外部流動以平衡電荷。當離子遷移受阻時，電池效率便會下降。他解釋道，空間電荷層的存在如同在關鍵通道設置路障，即使微小也會引發連鎖反應。例如，在電動汽車快充場景下，這種內阻增加可能導致充電時間延長或電池發熱。
目前，該團隊正探索通過材料改性與結構優化抑制空間電荷積聚。例如，調整電極與電解質的化學成分，或設計梯度界面層以分散電荷堆積。相關成果已發表于《美國化學學會納米》期刊，為固態電池的工業化應用提供了關鍵理論支持。隨著技術迭代，下一代固態電池有望突破現有性能極限，推動電動汽車與儲能領域邁向新階段。
