【复材资讯】今日Nature：固态电解质失效机制重新理解！
软锂金属穿透硬质陶瓷固态电解质这一反直觉的现象，已被归因于两种不同的失效机制。一种机制认为，锂枝晶内部积累的内压会引起固态电解质发生机械断裂，从而使枝晶得以扩展并最终导致电池短路。另一种机制则指出，电子沿固体电解质晶界的泄漏促进了孤立锂核的形成，这些锂核随后相互连接并造成电池短路。阐明“软穿透硬”现象的机理，需要在纳米尺度和微米尺度上获取锂的微观结构和化学信息，尤其是在枝晶尖端，这是锂沉积和裂纹扩展发生的位置。
【工作介绍】
在此，德国马克斯·普朗克可持续材料研究所Gerhard Dehm教授，张宇威，刘传来和Zhang Siyuan等人通过使用模型电池设计以及一套低温电子显微镜仪器，报道了固态电解质中发生的沿晶和穿晶断裂事件，并且在枝晶尖端观察到锂完全填充了纳米尺度的裂纹。通过冷冻扫描透射电子显微镜，在枝晶尖端前方未检测到孤立的锂核。值得注意的是，在与Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12（LLZTO）界面相邻的锂枝晶区域中观察到了微小的晶格旋转，而枝晶内部则未检测到可测量的晶格旋转，这表明锂枝晶内部处于近乎无剪切、因而主要是流体静力学的应力状态，这一解释进一步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，本文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定向锂枝晶的扩展路径。
相关研究成果以“Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte”为题发表在Nature上。
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。
【全文总结】
综上所述，锂枝晶穿透石榴石型固体电解质是由机械驱动的断裂所导致，为了抑制枝晶引发的失效并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）提高晶界抗断裂能力，裂纹常常沿晶界偏转，即使这会降低裂纹扩展的驱动力。这种行为反映出晶界处的抗断裂能力不足（比基体的抗断裂能力弱3-5倍）。已有报道称，掺杂等策略可以增强晶界；
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上易碎的特性，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，可以促进应力耗散并延缓锂沉积过程中的裂纹扩展。
3）机械引导的枝晶扩展重定向，垂直于枝晶扩展方向排列的横向孔隙能够改变枝晶的生长路径，从而防止短路。这一概念验证表明，引入局部缺陷（如孔隙、裂纹或弱界面）可以有效影响枝晶的扩展路径。为了在薄型固体电解质隔膜（理想情况下薄至约20 µm）中实现这一概念，多层固体电解质中的界面有可能被用作机械薄弱区域来重定向枝晶扩展。
原标题：《【复材资讯】今日Nature：固态电解质失效机制重新理解！》