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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(fù)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(gè)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)?；谏鲜鰡栴}，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(jī)理，截止目前，其中機(jī)理仍然是模棱兩可。

近日，澤攸科技助力燕山大學(xué)張利強(qiáng)教授、唐永福教授、黃建宇教授團(tuán)隊(duì)利用原位電鏡技術(shù)的高分辨率和原位實(shí)時(shí)優(yōu)勢(shì)，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(dòng)態(tài)過程，證明了電化學(xué)機(jī)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(shí)，他們發(fā)現(xiàn)在每個(gè)嵌鋰循環(huán)過程中都會(huì)產(chǎn)生新的鋰形核位點(diǎn)，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(jī)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(jìn)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(dòng)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(diǎn)沉積，當(dāng)固態(tài)電解質(zhì)中的鋰達(dá)到飽和之后，電化學(xué)驅(qū)動(dòng)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(yán)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(gè)循環(huán)過程中在不同位點(diǎn)生長的新枝晶是"死鋰"形成的重要機(jī)制。導(dǎo)致庫倫效率的下降電池的失效。