由固態電解質和鋰（Li）金屬負極組成的可充電固態電池顯示出大規模應用電池系統的巨大前景，具有更高的能量密度和高安全性，有望打破限制國家進步的瓶頸-最先進的鋰離子電池。然而，目前固態鋰金屬電池（SSLMB）在實際條件下的最大耐受電流密度通常低于0.5 mA cm^?2，遠低于交通運輸行業動力電池的要求（高于4 mA cm^?2），阻礙了SSLMB為電動汽車提供足夠的功率能力。一旦SSLMB在臨界電流密度（CCD）以上工作，內部短路引起的電池失效將不可避免地被觸發。人們普遍認為，內部短路是由鋰枝晶在固態電解質中的生長和傳播造成的，導致正極與鋰負極之間的電連接。

為了揭示鋰在固態電解質中的滲透機制，采用了先進的表征技術來捕獲電解質/鋰負極界面處的鋰成核、鋰枝晶的生長和固態電解質的機械失效?；谶@些結果，對于由內部鋰枝晶生長引起的固態電解質的電化學機械失效，提出了兩種典型的機制。一種是沉積鋰滲透/滲透到電解質表面預先存在的缺陷中，另一種是在具有高電子電導率的內部位置減少大量固態電解質中的鋰。之前的工作揭示了由不同尺寸和數量密度的鋰枝晶內部生長引起的固態電解質的機械失效，留下了另一種從界面缺陷滲透/滲透鋰的機制。對固態電解質鋰對稱電池橫截面的原位視頻顯微鏡分析表明，當施加的電流密度超過CCD時，立即監測到界面處鋰枝晶的成核，并且鋰枝晶在固態電解質中的快速傳播最終導致電池短路。此外，原位X射線層析成像結合空間映射X射線衍射揭示了界面缺陷的形成、鋰枝晶從鋰負極到另一個電極的傳播以及固態電解質的機械失效。研究發現，在沉積鋰過程中，固態電解質內部的裂紋先于鋰枝晶產生，并在沉積鋰負極表面附近開始，為鋰枝晶的傳播鋪平了道路。裂紋后鋰枝晶的進一步傳播導致固態電池的內部短路。這一發現很好地解釋了為什么具有足夠剪切模量的固態電解質。

界面缺陷/缺陷中沉積鋰產生的局部高應力場被認為是沉積鋰負極附近裂紋萌發的主要原因。由于制造工藝和反復的沉積/剝離過程，固態電解質表面廣泛存在空隙、雜質和高粗糙度等界面缺陷。Li/固態電解質界面的這些缺陷將在固態電解質和Li負極界面發生的Li電沉積過程中首先被填充，因為界面缺陷也提供了高Li成核傾向和高局部Li離子通量。一旦它們被沉積的Li完全填充，隨后沉積中相對較小的過電勢引起的機械應力將足以在脆性固態電解質中導致類似格里菲斯的裂紋擴展。先前的結果表明，界面缺陷的幾何形狀和尺寸是沉積鋰過程中固態電解質內部裂紋擴展的關鍵參數，但很難捕捉到這一涉及電化學和機械過程的演化過程。因此，了解界面缺陷對固態電解質裂紋萌生的作用對于研究Li滲透引起的失效機制和開發有針對性的策略以在固態電池中實現高CCD至關重要。

近日，來自瑞典查爾姆斯理工大學熊仕昭團隊為了解界面缺陷對固態電解質機械失效的影響，建立了電-化學-機械模型，以可視化電化學沉積Li過程中缺陷中的應力分布、相對損傷和裂紋形成。界面缺陷的幾何形狀被發現是局部應力場集中的主導因素，而半球形缺陷在初始階段提供較少的損傷累積和電解質分解的最長失效時間?？v橫比作為缺陷的關鍵幾何參數，被研究以揭示其對電解質失效過程的影響。0.2~0.5的低縱橫比的金字塔缺陷在界面附近顯示出損傷的分支區域，可能導致固態電解質的表面粉碎，而超過3.0的高縱橫比將引發體電解質中的損傷累積。固態電解質界面缺陷和電化學機械失效之間的校正有望為高功率密度固態鋰金屬電池的界面設計提供有見地的指導。該研究以題目為“Role of interfacial defect on electro-chemo-mechanical failure of solid-state electrolyte”的論文發表在材料領域頂級期刊《Advanced Materials》。

【圖1】具有界面缺陷的固態電解質斷裂過程的電-化學-力學模型示意圖。固態電解質中的棕色箭頭和鋰金屬負極中的白色箭頭分別代表鋰離子通量和通過電極的電流。藍色箭頭對應于鋰枝晶尖端的壓應力和界面處的剪切應力，這是由鋰的連續電沉積產生的。

【圖2】具有各種幾何形狀界面缺陷的固態電解質中的應力和損傷分布。a-d）鋰填充缺陷周圍的von Mises應力可視化，幾何形狀為（a）半球體、（b）半橢圓體、（c）金字塔和（d）立方體。e）von Mises應力沿中間區域在Y=5 μm位置的分布，如a-d中的白色虛線所示，寬度為1 μm。f）等高線圖和g）通過在界面缺陷中連續沉積鋰在固態電解質中產生的應力場的數值統計。h-k）鋰沉積在具有（h）半球體、（i）半橢圓體、（j）金字塔和（k）立方體幾何形狀的界面缺陷中引起的固態電解質的相對損傷。所有數字的計算時間都是12s。

【圖4】具有不同縱橫比的鋰填充金字塔缺陷周圍的von Mises應力分布。a-d）在收斂階段縱橫比（AR）為（a）0.2、（b）1.0、（c）2.0和（d）5.0的金字塔缺陷固態電解質內部von Mises應力的可視化。e）在具有一系列縱橫比的金字塔缺陷中由沉積鋰引起的von Mises應力范圍。f-h）包含具有低（f）、中（g）和高（h）縱橫比的界面缺陷的固態電解質內von Mises應力分布的頻率直方圖。

【圖5】缺陷縱橫比對界面沉積鋰引起的固態電解質損傷的影響。a-d）在收斂階段縱橫比為（a）0.2、（b）1.0、（c）2.0和（d）5.0的界面缺陷造成的損壞的可視化。e-f）沿缺陷中心線的相對損傷分布，縱橫比范圍為（e）0.2至1.0，以及（f）1.5至5.0。

【圖6】缺陷縱橫比對固態電解質機械失效的作用。a-d）在收斂階段長寬比為（a）0.2、（b）1.0、（c）2.0和（d）5.0的金字塔缺陷中沉積鋰引起的固態電解質位移的可視化。e-f）沿缺陷中心線的位移分布，縱橫比范圍為（e）0.2至1.0，以及（f）1.0至5.0。g-h）固態電解質中裂紋沿缺陷中心線的分布，縱橫比范圍為（g）0.2至1.0，（h）1.0至5.0。（i）表面有各種金字塔缺陷的固態電解質內部的相對損傷和由此產生的裂紋。（j）固態電解質失效時間與界面缺陷縱橫比之間的關系。

【圖7】建模結果與以往實驗數據的比較。a）從LAGP顆粒的X射線計算機斷層照片中提取的切片，隨著沉積鋰的容量增加。b）固態電解質內部裂紋擴展的建模結果。c）原位X射線計算機斷層掃描捕獲的累積裂紋與模型模擬的裂紋的比較。d）在具有高局部場的位置的LAGP顆粒的橫截面切片。e）界面缺陷中鋰沉積過程中裂紋穿透LAGP顆粒的建模結果。