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米测MeLab

2026-04-28

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

全固态锂电池凭借固态电解质与锂金属负极，具备更高安全性与能量密度，是下一代储能核心方向。但软锂枝晶穿透硬陶瓷电解质的反常现象，成为制约其实用化的核心障碍，其微观机制长期存在争议，亟需精准表征与理论阐释。

关键问题

目前，微观机制的解析主要存在以下问题：

1、存在两种对立机制争议难以厘清

软锂穿透硬陶瓷电解质存在机械断裂与电子泄漏形核两种对立机制，缺乏纳米尺度锂分布与微观结构直接证据，无法明确主导机制。

2、抑制策略缺少依据，难以开发有效抗枝晶策略

目前，锂枝晶穿透路径与断裂规律不清晰，无明确的电解质结构设计与缺陷调控思路，难以开发有效抗枝晶策略。

新思路

有鉴于此，德国马克斯・普朗克可持续材料研究所Zhang Yuwei、Zhang Siyuan、Gerhard Dehm，上海交通大学刘传来等人采用多尺度低温电镜与微机械断裂模型，研究了石榴石电解质中锂枝晶驱动的断裂过程，直接观测到锂枝晶完全填充纳米裂纹尖端并延伸至微米级裂纹。锂枝晶有限的晶格旋转与塑性表明，沉积锂产生巨大静水压力，在固态电解质中引发拉应力，驱动晶间与穿晶断裂。枝晶前端未检测到锂富集或金属锂核。电解质中几何设计的孔洞可改变锂枝晶穿透路径，抑制短路。研究表明晶界增韧与缺陷工程是设计抗枝晶固态电解质的有效策略。

技术方案：

1、研究了锂枝晶的晶间与穿晶生长行为

作者设计了面内超薄LLZTO电解质模型，诱导单一锂枝晶生长，发现微观曲折扩展路径伴随晶间与穿晶断裂，否定了孤立锂核沿晶界生长假说。

2、探究了裂纹尖端纳米尺度锂分布

作者通过低温FIB切片和三维重构发现，锂金属完全填充纳米裂纹尖端，常规电压下传统易形核位置无锂富集，电解质本征脆性无法塑性变形，多根枝晶实际源于单一主枝晶分支。

3、解析了软锂穿硬电解质的力学驱动机制

研究人员发现锂枝晶平均晶粒尺寸仅5μm，内部几乎无塑性变形，相场模拟揭示裂纹内锂沉积产生约600MPa超高静水压力，证实了静水压力是软锂穿透硬陶瓷的核心驱动力。

4、提出了锂枝晶生长路径调控与电池设计策略

研究人员提出缺陷工程定向调控枝晶策略，实现了锂枝晶45°偏转避免短路，结合机制提出了提升晶界断裂能、增强韧性、引导枝晶偏离三大设计策略。

技术优势：

1、首次在纳米尺度直接观测到锂枝晶完全填充裂纹尖端

作者借助低温多尺度电镜表征技术，首次在纳米尺度直接观测到锂枝晶完全填充裂纹尖端，明确了无孤立锂核形核，证实了机械驱动为核心机制。

2、揭示了软锂穿硬陶瓷的力学本质

本文建立了静水压力主导的断裂模型，揭示了软锂穿硬陶瓷的力学本质，并提出几何孔洞调控枝晶路径、晶界增韧的电解质设计新策略。

技术细节

锂枝晶的晶间与穿晶生长行为

本文设计了面内超薄LLZTO电解质模型，将电解质减薄至约150μm，在50mV低过电位下诱导单一笔直贯穿型锂枝晶生长，解决了厚样品无法清晰观测枝晶尖端的难题。借助低温SEM与EBSD表征发现，宏观笔直的锂枝晶在微观尺度呈现曲折扩展路径，同时伴随晶间断裂与穿晶断裂两种模式，统计显示约20%的晶粒发生穿晶开裂，近75%的晶间裂纹偏转角度超过40°。相场模拟结果表明，裂纹偏转行为由晶界与晶粒内部的断裂能差异主导，实验拟合得出晶界断裂能仅为晶粒本体的1/3~1/5，大偏转角度下低断裂能晶界会优先成为裂纹扩展通道。锂/LLZTO/锂对称电池测试进一步验证了混合断裂特征，且晶界取向差对裂纹偏转影响极小，该结果直接否定了孤立锂核沿晶界主导枝晶生长的假说，为机械驱动机制提供关键微观结构证据。

图  LLZTO固体电解质锂枝晶穿透过程中的形貌、微观结构及断裂统计

裂纹尖端纳米尺度锂分布表征

作者采用低温FIB切片、低温STEM-EELS与三维重构技术，对枝晶尖端平面、截面及前端1μm区域进行纳米尺度锂元素分布表征，结果显示锂金属完全填充纳米裂纹尖端，无任何空隙残留，裂纹内部被锂致密填充。在常规电池工作电压窗口内，枝晶前端的晶界、三相点等传统认为易形核的位置，均未检测到锂富集与锂金属晶核，与高偏压下出现的锂形核现象形成明确区分。同时，断裂后的LLZTO电解质附近未观测到位错活动，证明石榴石电解质本征脆性特征，无法通过塑性变形释放应力，必须通过增韧改性提升抗枝晶能力。低温三维重构还纠正了二维观测的误区，看似孤立的多根枝晶实际来源于单一主枝晶的分支，排除孤立形核后连接的可能性。

图  锂枝晶尖端的断口形貌和元素分布

软锂穿硬电解质的力学驱动机制

作者利用低温TKD-SEM对锂枝晶进行晶体取向表征，发现锂枝晶平均晶粒尺寸仅5μm，远小于块体锂，且仅在锂-LLZTO界面处存在轻微晶格旋转，枝晶内部几乎无塑性变形，呈现近无剪切的静水应力状态。相场断裂模拟定量揭示，受限裂纹内的锂沉积会产生约600MPa的超高静水压力，该压力在电解质内部诱发同等量级的拉应力，直接驱动裂纹持续扩展。模拟中改变锂屈服强度（1MPa~125MPa）与纯弹性工况，结果均显示静水压力远高于冯・米塞斯应力，塑性变形仅局限于界面附近，主体枝晶保持弹性状态，证实静水压力而非塑性变形是软锂穿透硬陶瓷的核心驱动力，从力学本质上解释了“软穿硬”的反常现象。

图  LLZTO中锂枝晶的微观结构及相场断裂模拟

锂枝晶生长路径调控与电池设计策略

基于机械驱动机制，本文提出缺陷工程定向调控枝晶路径的策略，在电解质中引入垂直于枝晶扩展方向的维氏压痕横向裂纹，实验实现锂枝晶约45°定向偏转，有效避免直通短路，而未遇到缺陷的枝晶则沿原路径扩展引发短路。相场模拟验证，横向孔洞会产生不对称拉应力场，引导枝晶沿孔洞切线方向偏转；圆形孔洞则保持对称应力，无法改变枝晶路径。结合机制与实验结果，提出三大实用设计策略：通过掺杂等手段提升晶界断裂能，减少沿晶开裂；增强电解质整体断裂韧性，提升应力耗散能力；利用横向缺陷、多层界面等结构引导枝晶偏离直通路径，在保证离子传输的同时抑制短路，为高性能抗枝晶固态电解质的规模化开发提供理论与实验支撑。

图  通过设计的空隙定制锂枝晶生长

展望

本文通过多尺度低温电镜表征与相场力学模拟，确凿证实石榴石固态电解质中锂枝晶穿透由锂沉积产生的静水压力驱动机械断裂主导，彻底排除了晶界电子泄漏孤立锂核形核机制，明确晶间与穿晶混合断裂模式及“软穿硬”的力学本质。研究提出几何缺陷调控枝晶路径、晶界增韧与电解质强韧化三大设计策略，为解决全固态锂电池锂枝晶短路难题提供核心理论依据与可落地的技术方向，推动高安全、高能量密度全固态电池的实用化进程。

参考文献：

Zhang, Y., Motahari, S., Woods, E.V. et al. Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte. Nature 652, 912–918 (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10415-9