Science：揭示“死锂”新路径！“软”锂不“软”！

米测MeLab

2026-03-16

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

锂金属负极因其极高的理论比容量和最低的电化学电位被视为下一代电池的核心，但锂枝晶的生长及其穿透电解质和隔膜的问题始终威胁着电池的安全性，容易导致短路或爆炸。传统观点认为锂是一种极软的金属，因此普遍通过开发高模量的固态电解质（SE）来试图抑制枝晶。

关键问题

目前，抑制锂枝晶的研究主要存在以下问题：

1、传统模量匹配理论的失效

Monroe和Newman曾提出剪切模量达到锂两倍的电解质可阻止枝晶，但实践中硬质电解质（如LLZO）仍会被穿透，这一“软锂破硬盾”的矛盾长期缺乏力学解释。

2、枝晶力学性能定量测量的缺失

由于锂化学活性极高、对空气敏感且易受电子束损伤，如何在不破坏样品的前提下定量测量在真实电池环境中生长的单个纳米级枝晶的力学属性，一直是该领域的重大技术挑战。

新思路

有鉴于此，莱斯大学楼峻教授、新加坡科技研究局高华健教授、佐治亚理工学院朱廷教授和休斯顿大学姚彦教授等人采用无空气方案测量了单个锂枝晶的力学性能。发现锂枝晶出人意料地具有高强度和脆性，其断裂应力大于约150兆帕（MPa），这与延展性的大块金属不同。低温透射电子显微镜和力学建模显示，这种行为源于固体电解质界面（SEI）的约束和纳米尺度的强化。这些发现为枝晶穿透和“死锂”形成提供了替代机制，并为锂金属电池的设计策略提供了指导。

技术方案：

1、开发了一套精密的无空气原位力学测试协议

研究团队开发无空气原位力学测试协议，在扣式电池中生长锂枝晶，利用定制转移盒送入SEM，通过钨针转移至MEMS平台并用电子束诱导铂沉积固定，采用"束流关闭"法消除热效应，确保数据真实反映枝晶初始状态。

2、揭示了枝晶与大块锂的力学性能巨大差异

纳米级锂枝晶呈现"又硬又脆"特性：断裂强度超150 MPa但延伸率仅3%，杨氏模量6.31-7.51 GPa随直径减小而增大，断裂面平整无颈缩。这与大块锂金属的高延展性形成鲜明对比，解释了枝晶刺穿固态电解质导致短路的机制。 

3、探究了力学性能异化的深层诱因

Cryo-TEM揭示锂枝晶具有核心-壳层结构：单晶锂核心沿<110>方向生长，外层为约15纳米厚的马赛克结构SEI膜。单晶核缺少位错源且截面受限，结合坚硬SEI壳层，使枝晶无法通过位错运动消散能量，表现为脆性断裂。

4、进一步定量化了位错强化机制

有限元模拟和位错力学分析表明，锂核心屈服应力超115 MPa。SEI层将自由表面替换为受约束界面，提升位错成核能障至约160 MPa，并阻止位错逃逸产生背应力。

技术优势：

1、发现了锂枝晶的高强度与脆性本质

研究首次通过精确的原位纳米力学测试证明，纳米锂枝晶的断裂强度超过150 MPa，远高于大块锂（<1 MPa），且表现出完全无塑性的脆性断裂行为。

2、揭示了位错抑制驱动的强化机制

结合冷冻电镜和分子动力学模拟，阐明了由于纳米尺寸导致的“位错匮乏”以及坚硬SEI层提供的表面约束力共同抑制了塑性变形，从而导致了高强度的产生。

技术细节

锂枝晶的无空气原位测试技术

为了克服锂的极高化学活性和电子束敏感性，研究团队开发了一套精密的无空气原位力学测试协议。研究者在扣式电池中使用铜网作为电流集结器，在实际电池循环中生长出直径在100至1000纳米之间的锂枝晶。利用定制的转移盒，样品在不接触空气的情况下被送入扫描电子显微镜（SEM）。在测试过程中，科研人员使用钨针操纵器将单个枝晶精准转移至MEMS（微机电系统）拉伸平台上，并利用电子束诱导铂（Pt）沉积进行固定。为了消除电子束的热效应（会导致锂软化甚至“愈合”），研究采取了“束流关闭”测试法，仅在无辐射状态下记录应力-应变数据。这种创新的实验方法确保了所测得的力学数据能够真实反映枝晶在电池运行环境下的初始状态，为后续的理论分析奠定了坚实的实验基础。

图  Li枝晶的原位SEM定量纳米力学测量

枝晶与大块锂的力学性能巨大差异

实验结果揭示了令人震惊的对比：大块锂金属表现出极佳的延展性，其屈服应力仅约0.6 MPa，延伸率高达35%；而纳米级锂枝晶则表现出超过150 MPa的断裂强度，且几乎没有任何可见的塑性变形（延伸率仅约3%后即发生脆性断裂）。这种脆性行为在SEM图像中得到了直观印证：断裂面非常平整且垂直于拉伸轴，完全没有大块金属常见的颈缩现象。此外，研究还发现锂枝晶的杨氏模量在6.31至7.51 GPa之间，这一数值随直径减小而略微增大，这与较硬的SEI壳层所占体积分数增加有关。这种“又硬又脆”的力学特征直接挑战了传统的电池失效模型，解释了为什么这些看似微小的枝晶能够像硬楔子一样刺穿高强度的固态电解质，从而导致电池内部短路。

图  Li枝晶和块状Li条的机械性能

冷冻电镜下的核心-壳层微观结构

为了探究力学性能异化的深层诱因，研究采用了冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）对枝晶进行了原子级表征。观察发现，每个锂枝晶都具有清晰的核心-壳层结构（Core-shell structure）：核心是沿 <110> 方向生长的单晶锂，外层则是厚度约为15纳米的固体电解质界面（SEI）膜。高分辨率图像显示，SEI膜呈现典型的“马赛克结构”，即在非晶态基质中散布着2-5纳米的无机晶粒。这种单晶核心意味着内部缺少初始位错源，而纳米级的横截面进一步限制了位错的产生空间。正是这种高度有序的单晶核与坚硬SEI壳层的结合，构成了枝晶极高强度的微观物质基础，使其在受力时无法通过常规的位错运动来消散能量，最终表现为脆性断裂而非塑性形变。 

图  锂枝晶核壳结构的Cryo-TEM表征

有限元建模与位错强化机制分析

结合有限元模拟（FEM）和位错力学分析，研究进一步定量化了强化机制。模拟表明，锂核心的屈服应力实际上超过了115 MPa。位错力学分析指出，在纳米尺度下，位错活动受到严重限制，塑性流动必须依赖于应力驱动的位错成核。在无壳层的锂纤维中，表面是位错成核的薄弱点；但SEI层的存在将这一自由表面替换为受约束的界面，大幅提升了位错成核的能量障碍，使成核应力从107 MPa提升至约160 MPa。此外，SEI层还像一道物理屏障，阻止了已生成的位错逃逸，导致位错在界面处堆积并产生极大的“背应力”，进一步增强了材料的抗屈服能力。这种多重纳米强化效应共同赋予了锂枝晶足以破坏硬质电解质的力学强度。

图  Li枝晶脆性行为的有限元模拟及位错力学分析

展望

本研究通过创新的原位力学实验和多尺度理论模型，证明了锂枝晶具有高强度且脆性的本质，颠覆了锂是“软金属”的传统假设。这种独特性源于其单晶结构带来的位错匮乏以及SEI壳层的强力约束。该发现不仅阐明了枝晶穿透固态电解质的物理机制，还揭示了“死锂”形成的新路径（脆性碎裂而非电化学溶解）。这为设计更安全的锂电池提供了关键启示，例如通过合金化策略增加位错源以提升锂的延展性，从而抑制枝晶失效。

参考文献：

QING AI, et al. Strong and brittle lithium dendrites. Science, 2026, 391(6790): 1125-1129.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu9988#tab-contributors