Nat. Mater.：锂负极中电镀诱导的固态电解质裂纹扩展的可视化

newbee

2021-04-23

具有锂金属负极和陶瓷电解质的固态电池可以实现更高的能量密度并能够大幅提高安全性。此前的研究表明，如果聚合物电解质具有足够高的剪切模量，则其枝晶的生长会受到显著抑制。然而，剪切模量比锂高几个数量级的陶瓷电解质并不能有效抑制枝晶的生长，这表明枝晶穿过陶瓷的机制不同于聚合物电解质。为了研究这一现象，虽然光学显微镜可用于原位观测，但是，表征直接观察固体电解质内部的枝晶生长仍然具有挑战性。在全固态电池运行过程中，采用X射线计算机断层扫描（XCT）来对界面空隙的演变进行成像观察具有可行性。基于这一技术，英国牛津大学Peter G. Bruce等人深入研究了Li/Li₆PS₅Cl/Li电池中裂纹的传播和锂枝晶在固体电解质中的生长与电荷传递之间的关系。

文章要点

1）电解质中裂纹的传播距离远超过锂枝晶，而并不是目前所认为的锂枝晶驱动裂纹尖端扩展的过程。

2）镀层上的锂进入会导致剥落裂纹（坑洞）的形成，该剥落裂纹与电镀电极的界面相邻。之所以形成这种裂纹，是因为裂纹扩展到最邻近的表面（电镀电极）可以减轻应力。

3）散裂裂纹沿着孔隙率高于陶瓷平均孔隙率的路径传播，在电场更大的锂电极边缘周围散裂更为普遍。锂剥落后形成横向裂纹并通过电解质传播到剥离的电极。随后锂继续进入，扩大了裂纹并推动了裂纹的传播。

4）即使当裂纹横穿整个电解质（连接镀层和剥离的电极）时也没有发生短路，这进一步支持了以下观点：锂仅是在裂纹形成后来填充裂纹，而不是主导裂纹传播。

参考文献

Ning, Z., et al. Visualizing plating-induced cracking in lithium-anode solid-electrolyte cells. Nat. Mater. (2021).

DOI：10.1038/s41563-021-00967-8

https://doi.org/10.1038/s41563-021-00967-8