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研究员在揭示固态电解质（SE）在锂金属电池应用中由于锂金属枝晶生长引发的失效机制取得新的进展。相关成果以标题“Electro-chemo-mechanical failure of solid-state electrolyte caused from intergranular or transgranular damage propagation in polycrystalline aggregates”发表在Acta Materialia。

随着全球对高效能、长寿命、安全性强的储能技术需求日益增长，固态锂金属电池作为新一代储能系统的理想选择，受到了广泛关注。然而，锂金属枝晶的生长造成的固态电解质（SE）结构失效一直是制约其发展的主要技术障碍。该研究通过最新研究揭示了固态电解质失效的复杂机制，为锂金属电池的设计与优化提供了重要理论依据。

锂金属因其超高的理论容量（3860 mAh/g）和较低的还原电位（-3.04 V），在提升电池能量密度方面具有巨大的潜力。然而，固态锂电池的应用受到其电解质的电化学-机械失效的限制。传统的液态电解质通常会在高电流密度下引发安全问题，而固态电解质理论上能够提供更稳定的结构，避免易燃液体的危险。然而，固态电解质的结构在锂枝晶生长过程中仍会受到破坏，导致材料的电化学性能下降甚至失效。

图1. 晶界强度对固态电解质（SE）内部应力场的影响。

此次研究创新性地构建了电化学-机械耦合模型，并结合了凝聚区模型，对代表性石榴石型锂镧锆氧（Li₇La₃Zr₂O₁₂）固态电解质在不同晶界条件下的应力分布、损伤传播和裂纹扩展过程进行了模拟。研究发现，晶界的机械强度与宽度直接影响了固态电解质的失效行为。在晶界强度较弱时，电解质结构失效以“晶间损伤”为主；而当晶界强度较强时，失效模式则会转变为“穿晶损伤”。晶界强度和宽度的结合决定了裂纹的传播路径和电解质的最终失效形式。

图2. SE的晶间或穿晶损伤。

图3. 基于晶间或穿晶裂纹行为的SE失效。

通过改变晶界强度的参数，研究人员揭示了晶间损伤和穿晶损伤之间的转化机制。当晶界强度较低（λ≤0.2）时，损伤主要集中在晶粒之间；而随着晶界强度提高至0.9以上，损伤逐渐扩展至晶粒内部，形成穿晶损伤。这种损伤模式的变化显著影响了固态电解质的机械稳定性和结构完整性。

此外，晶界宽度也在很大程度上影响了应力的分布。宽度较小的晶界更容易引发晶间损伤，而宽度较大的晶界有助于应力的分散，延缓失效时间。研究确定了不同晶界强度下的最优晶界宽度，例如当晶界强度为0.9时，晶界宽度约为31纳米时能够达到最优的应力分散效果，显著延长固态电解质的使用寿命。这一发现为固态锂金属电池的设计与优化提供了新的理论依据，通过调整晶界的宽度和强度，可以有效缓解锂金属在充放电过程中对电解质造成的结构破坏，从而延长电池的循环寿命。团队还表示，下一步的研究将进一步探索晶界的其他属性，如晶界的化学成分和微观结构，以实现更强韧、更高效的固态电解质材料，推动高能量密度和高安全性的储能技术的商业化进程。

图4. 晶界宽度对SE内部应力场的影响。

图5. 晶界宽度对SE内部损伤行为的影响。

图6. 晶界宽度对SE失效的影响。

原文信息和链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119607