鋰枝晶生長一直以來是影響基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池的安全性的重大難題。理論上固態(tài)鋰金屬電池使用陶瓷材料作為固態(tài)電解質(zhì)（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(tài)電池遲遲不能大規(guī)模應(yīng)用的一個主要原因是：與液態(tài)電解質(zhì)的電池相比，固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率以及內(nèi)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(tài)電解質(zhì)中形成，并刺穿固態(tài)電解質(zhì)，繼而誘發(fā)電池內(nèi)部短路發(fā)生火災(zāi)。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(tài)電池中的生長以及破壞性行為的內(nèi)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(xué)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(shù)的高分辨率和原位實時優(yōu)勢，觀察、研究了微電池中鋰枝晶穿透LLZTO（Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12）固態(tài)電解質(zhì)的動態(tài)過程，證明了電化學(xué)機械應(yīng)力足以驅(qū)使鋰枝晶較快生長，致使固態(tài)電解質(zhì)破裂并刺穿固態(tài)電解質(zhì)。同時，他們發(fā)現(xiàn)在每個嵌鋰循環(huán)過程中都會產(chǎn)生新的鋰形核位點，并在隨后的脫鋰循環(huán)中形成新的”死鋰“;，從而闡述了固態(tài)鋰金屬電池中主要的庫倫效率衰減機制?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，他們提出通過降低固態(tài)電解質(zhì)中裂紋尺寸以及電子電導(dǎo)率來提升固態(tài)鋰金屬電池性能的電池改進思路。相關(guān)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(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上。燕山大學(xué)材料學(xué)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(jié)合AFM 研究Li枝晶在CO₂環(huán)境大氣中穿透LLZTO的動力學(xué)行為


電池循環(huán)過程中鋰枝晶刺穿固態(tài)電解質(zhì)示意圖
 

研究發(fā)現(xiàn)，金屬鋰在固態(tài)電解質(zhì)表面和內(nèi)部孔洞、晶界等缺陷位點沉積，當固態(tài)電解質(zhì)中的鋰達到飽和之后，電化學(xué)驅(qū)動的金屬鋰沉積產(chǎn)生的很大應(yīng)力致使固態(tài)電解質(zhì)中產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致鋰枝晶穿透固態(tài)電解質(zhì)，枝晶刺穿的過程中能帶出固態(tài)電解質(zhì)的碎片，使固態(tài)電解質(zhì)遭到嚴重破壞。脫鋰過程中，鋰持續(xù)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(fā)現(xiàn)，每個循環(huán)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(dǎo)致庫倫效率的下降電池的失效。