軟鋰金屬穿透硬質陶瓷固態電解質這一反直覺的現象，已被歸因于兩種不同的失效機制。一種機制認為，鋰枝晶內部積累的內壓會引起固態電解質發生機械斷裂，從而使枝晶得以擴展并最終導致電池短路。另一種機制則指出，電子沿固體電解質晶界的泄漏促進了孤立鋰核的形成，這些鋰核隨后相互連接并造成電池短路。闡明“軟穿透硬”現象的機理，需要在納米尺度和微米尺度上獲取鋰的微觀結構和化學信息，尤其是在枝晶尖端，這是鋰沉積和裂紋擴展發生的位置。
【工作介紹】
在此，德國馬克斯·普朗克可持續材料研究所Gerhard Dehm教授，張宇威，劉傳來和Zhang Siyuan等人通過使用模型電池設計以及一套低溫電子顯微鏡儀器，報道了固態電解質中發生的沿晶和穿晶斷裂事件，并且在枝晶尖端觀察到鋰完全填充了納米尺度的裂紋。通過冷凍掃描透射電子顯微鏡，在枝晶尖端前方未檢測到孤立的鋰核。值得注意的是，在與Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12（LLZTO）界面相鄰的鋰枝晶區域中觀察到了微小的晶格旋轉，而枝晶內部則未檢測到可測量的晶格旋轉，這表明鋰枝晶內部處于近乎無剪切、因而主要是流體靜力學的應力狀態，這一解釋進一步得到了微機械斷裂模型的支持。基于石榴石型固體電解質中機械驅動的鋰枝晶穿透機制，本文提出了一種力學指導策略，通過在LLZTO中引入幾何工程設計的孔隙來重新定向鋰枝晶的擴展路徑。
相關研究成果以“Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte”為題發表在Nature上。
圖1.鋰枝晶穿透過程中LLZTO固態電解質的形貌、微觀結構及斷裂統計特性。
圖2.鋰枝晶尖端的斷裂形貌與元素分布。
圖3.LLZTO中鋰枝晶的微觀結構及鋰枝晶滲透的相場斷裂建模。
圖4.通過工程化空隙調控鋰枝晶生長。
【全文總結】
綜上所述，鋰枝晶穿透石榴石型固體電解質是由機械驅動的斷裂所導致，為了抑制枝晶引發的失效并實現可靠的全固態鋰金屬電池，作者基于機理研究提出以下設計策略：
1）提高晶界抗斷裂能力，裂紋常常沿晶界偏轉，即使這會降低裂紋擴展的驅動力。這種行為反映出晶界處的抗斷裂能力不足（比基體的抗斷裂能力弱3-5倍）。已有報道稱，摻雜等策略可以增強晶界；
2）提高固體電解質的斷裂韌性，枝晶尖端附近缺乏位錯活動，凸顯了石榴石型電解質本質上易碎的特性，以及其在鋰枝晶穿透過程中通過塑性變形松弛應力的能力有限。通過位錯激活或剪切流等機制提高斷裂韌性，可以促進應力耗散并延緩鋰沉積過程中的裂紋擴展。
3）機械引導的枝晶擴展重定向，垂直于枝晶擴展方向排列的橫向孔隙能夠改變枝晶的生長路徑，從而防止短路。這一概念驗證表明，引入局部缺陷（如孔隙、裂紋或弱界面）可以有效影響枝晶的擴展路徑。為了在薄型固體電解質隔膜（理想情況下薄至約20 μm）中實現這一概念，多層固體電解質中的界面有可能被用作機械薄弱區域來重定向枝晶擴展。
【文獻信息】
Yuwei Zhang?, Soroush Motahari, Eric V. Woods, Stefan Zaefferer, Peter Schweizer, Zhiyuan Zhang, Yuqi Liu, Baptiste Gault, Franz Roters, Dierk Raabe, Christina Scheu, Yug Joshi, Siyuan Zhang?, Chuanlai Liu?，Gerhard Dehm?,Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-026-10415-9
