鋰枝晶生長一直以來是影響基于液態電解質的鋰離子電池的安全性的重大難題。理論上固態鋰金屬電池使用陶瓷材料作為固態電解質（SSE）能有效地YI制鋰枝晶的生長，使用鋰金屬作為負極的電池具有更高的能量密度。但是，阻礙固體態電池遲遲不能大規模應用的一個主要原因是：與液態電解質的電池相比，固態電解質的電導率以及內部存在的孔洞、晶界、微小裂紋等缺陷致使高電流密度下鋰枝晶似乎更容易在固態電解質中形成，并刺穿固態電解質，繼而誘發電池內部短路發生火災。基于上述問題，研究人員利用各式各樣的表征手段來研究鋰枝晶在固態電池中的生長以及破壞性行為的內在機理，截止目前，其中機理仍然是模棱兩可。

近日，澤攸科技助力燕山大學張利強教授、唐永福教授、黃建宇教授團隊利用原位電鏡技術的高分辨率和原位實時優勢，觀察、研究了微電池中鋰枝晶穿透LLZTO（Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12）固態電解質的動態過程，證明了電化學機械應力足以驅使鋰枝晶較快生長，致使固態電解質破裂并刺穿固態電解質。同時，他們發現在每個嵌鋰循環過程中都會產生新的鋰形核位點，并在隨后的脫鋰循環中形成新的”死鋰“;，從而闡述了固態鋰金屬電池中主要的庫倫效率衰減機制。基于以上研究結果，他們提出通過降低固態電解質中裂紋尺寸以及電子電導率來提升固態鋰金屬電池性能的電池改進思路。相關研究成果以”In Situ Visualization of Lithium Penetration through Solid Electrolyte and Dead Lithium Dynamics in Solid-Stat Lithium Metal Batteries“為題發表在國際學術期刊ACS Nano上。燕山大學材料學院孫海明博士為本文D一作者。 
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c04864

原位STM結合AFM 研究Li枝晶在CO₂環境大氣中穿透LLZTO的動力學行為


電池循環過程中鋰枝晶刺穿固態電解質示意圖
 

研究發現，金屬鋰在固態電解質表面和內部孔洞、晶界等缺陷位點沉積，當固態電解質中的鋰達到飽和之后，電化學驅動的金屬鋰沉積產生的很大應力致使固態電解質中產生裂紋，導致鋰枝晶穿透固態電解質，枝晶刺穿的過程中能帶出固態電解質的碎片，使固態電解質遭到嚴重破壞。脫鋰過程中，鋰持續剝離，不能分解的碳酸鋰殼（稱為"死鋰"）殘余。此外研究人員還發現，每個循環過程中在不同位點生長的新枝晶是"死鋰"形成的重要機制。導致庫倫效率的下降電池的失效。