【复材前沿】Nature最新研究：重新解析固态电解质失效机制！

软质锂金属能够穿透硬质陶瓷固态电解质这一反常现象，此前被归结为两种不同的失效机制。一种观点认为，锂枝晶内部积聚的内压会引发固态电解质发生机械断裂，进而让枝晶得以延伸并最终造成电池短路；另一种观点则指出，电子沿固体电解质晶界的泄漏会促使孤立锂核形成，这些锂核相互连接后便会导致电池短路。要阐明“软穿透硬”这一现象的机理，需要在纳米和微米尺度上获取锂的微观结构与化学信息，尤其是在枝晶尖端——这里正是锂沉积和裂纹扩展发生的关键位置。

【研究进展】

在此，德国马克斯·普朗克可持续材料研究所的Gerhard Dehm教授、张宇威、刘传来及Zhang Siyuan等人，借助模型电池设计与一套低温电子显微镜设备，揭示了固态电解质中出现的沿晶与穿晶断裂事件，并且在枝晶尖端观察到锂完全填充了纳米级裂纹。通过冷冻扫描透射电子显微镜，研究人员在枝晶尖端前方未检测到孤立的锂核。值得关注的是，在与Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12（LLZTO）界面相邻的锂枝晶区域，观察到了微小的晶格旋转，而枝晶内部则未发现可测量的晶格旋转，这表明锂枝晶内部处于近乎无剪切的状态，因此主要承受流体静力学应力，这一解释也得到了微机械断裂模型的支持。基于石榴石型固体电解质中机械驱动的锂枝晶穿透机制，研究团队提出了一种力学指导策略：通过在LLZTO中引入几何工程设计的孔隙，来重新引导锂枝晶的扩展路径。

相关研究成果以“Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte”为题发表于《Nature》期刊。

图1. 锂枝晶穿透过程中LLZTO固态电解质的形貌、微观结构及断裂统计特性。

图2. 锂枝晶尖端的断裂形貌与元素分布。

图3. LLZTO中锂枝晶的微观结构及锂枝晶渗透的相场断裂建模。

图4. 通过工程化空隙调控锂枝晶生长。

【研究总结】

综上，锂枝晶穿透石榴石型固体电解质是由机械驱动的断裂所致。为抑制枝晶引发的失效、实现可靠的全固态锂金属电池，作者基于机理研究提出以下设计策略：

1）提升晶界抗断裂能力：裂纹常沿晶界偏转，即便这会降低裂纹扩展的驱动力，这一现象反映出晶界抗断裂能力不足（比基体弱3-5倍）。已有研究表明，掺杂等策略可增强晶界性能；

2）提高固体电解质的断裂韧性：枝晶尖端附近缺乏位错活动，凸显了石榴石型电解质本质易碎的特性，以及其在锂枝晶穿透过程中通过塑性变形松弛应力的能力有限。通过位错激活或剪切流等机制提高断裂韧性，可促进应力耗散，延缓锂沉积过程中的裂纹扩展；

3）机械引导枝晶扩展重定向：垂直于枝晶扩展方向排列的横向孔隙能改变枝晶生长路径，从而防止短路。这一概念验证显示，引入局部缺陷（如孔隙、裂纹或弱界面）可有效影响枝晶扩展路径。为在薄型固体电解质隔膜（理想厚度约20 µm）中实现这一概念，多层固体电解质中的界面有望作为机械薄弱区域，用于重定向枝晶扩展。

原标题：《【复材资讯】今日Nature：固态电解质失效机制重新理解！》

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