近日，西南交通大学前沿科学研究院焦星星副研究员、西安交通大学材料科学与工程学院徐谢宇博士和刘洋洋副研究员在多晶固态电池由于锂丝生长所引起电解质的失效研究中取得新的进展。相关成果以标题“Grain size and grain boundary strength: Dominative role in electro-chemo-mechanical failure of polycrystalline solid-state electrolytes”发表在Energy Storage Materials。该杂志为中科院一区top期刊，影响因子：20.4。

锂金属固态电池已成为满足人们对安全高效能源设备不断提高的要求的一种有竞争力的选择。然而，由于锂（Li）丝的发展导致固态电解质（SSE）失效，阻碍了它的广泛应用。根据晶粒大小和边界强度不同的多晶陶瓷固态电解质的性质，应用了与电化学动力学相耦合的构成方程来描绘锂丝发展所引起的损伤和相应的解体。

在此，根据研究结果发现随着锂丝生长而产生的应力会通过晶界的打开和滑动而扩散。因此，损伤沿着晶界发生，其传播行为和损伤程度受晶粒尺寸的控制。特别是，SSE晶粒的过度细化和细化不足会分别导致损伤程度过大的絮状损伤进而加速SSE的破坏时间。另一方面，通过强化SSE的晶界，可有效延长失效时间。最终，以0.2 μm的晶粒尺寸和0.8倍晶粒时间的晶界抗拉强度作为阈值，实现了基于 NASICON 的 SSE 的延迟失效。

图1 不同晶粒尺寸SSE内部应力场

总之，该工作基于Butler-Volmer电化学动力学，从可视化结果和应力场的演化过程可以看出。由于Li丝的增大，在Li/SSE界面出现了压应力，导致晶界（GB）的张开，界面附近的应力向外扩展到SSE的主体。因此，Li丝引起的损伤沿晶界传播，在SSE体内部自发产生。另一方面，通过加强GB，SSE的损伤随着时间的延长而减缓。

适当的晶粒细化和晶界强化可以避免絮凝损伤的有害破坏，延长SSE的循环寿命。通过采用先进烧结技术和使用烧结添加剂，确定了国标工程中NASICON SSE晶粒尺寸为0.2 μm，抗拉强度为晶粒强度的0.8倍，为NASICON SSE的优化值。因此，该工作提出的数值模型可以用于其他陶瓷陶瓷，从而促进固态锂金属电池作为有效的能源存储系统在人类生活的各方面的广泛应用。

图2. 之前的实验图像与模型结果的比较

原文信息和链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103171