編輯總結(jié)
鋰枝晶的形成與高電流密度引起的孔隙效應(yīng)是鋰金屬電池失效的已知原因。然而，一個尚未解決的問題是：為何在遠低于臨界電流密度的條件下，電池仍可能在循環(huán)中出現(xiàn)失效。
本研究提出，鋰金屬的機械疲勞是循環(huán)退化的主要原因。他們利用原位掃描電子顯微鏡表明，即使在低電流密度下，可逆的鋰沉積與剝離過程也會產(chǎn)生周期性應(yīng)力，而這些應(yīng)力會引發(fā)缺陷、微裂紋和微孔，從而導(dǎo)致界面退化。
結(jié)合模擬，作者進一步表明，可以根據(jù)電流密度預(yù)測全固態(tài)電池的循環(huán)壽命。——Marc S. Lavine
研究背景
全固態(tài)鋰金屬電池（SSBs）因其高能量密度和增強的安全性，有望用于電動汽車。然而，在循環(huán)過程中，不受控的鋰枝晶生長會引發(fā)短路問題，限制其實際應(yīng)用。
鑒于此，同濟大學(xué)羅巍課題組和華中科技大學(xué)黃云輝教授合作在Science期刊上發(fā)表了題為“Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries”的最新論文。該團隊通過原位掃描電子顯微鏡觀察和相場模擬，作者發(fā)現(xiàn) SSB 的失效與鋰金屬負極的疲勞密切相關(guān)，而這種疲勞顯著加劇了界面退化和枝晶生長。
這種疲勞行為符合力學(xué)中的科芬-曼森（Coffin-Manson）公式，說明其是一種固有特性。明確疲勞在電池失效中的核心作用，為理解 SSB 的失效機制提供了物理基礎(chǔ)，并為延長其使用壽命提供了新方向。
研究亮點
1.實驗首次揭示了鋰金屬疲勞引起全固態(tài)鋰金屬電池（SSB）失效的機制，通過原位掃描電鏡（SEM）觀察和相場模擬，發(fā)現(xiàn)鋰金屬負極（LMA）在電化學(xué)循環(huán)中經(jīng)歷疲勞，導(dǎo)致界面退化及鋰枝晶生成。
2.實驗通過原位 SEM 成像分析了 LMA|LLZTO 界面的動態(tài)變化，展示了即使在低電流密度下，鋰金屬的可逆沉積與剝離過程也會引發(fā)周期性應(yīng)力，這些應(yīng)力導(dǎo)致缺陷、微裂紋和微孔，最終導(dǎo)致界面失效。
3.結(jié)合模擬分析，實驗建立了電流密度、容量與 LMA 力學(xué)性能之間的定量關(guān)系，闡明了疲勞與 SSB 循環(huán)壽命之間的聯(lián)系，并提出了通過鋰金屬疲勞對失效機制進行預(yù)測的新方法。
4.實驗提出了一種新的思路來延長 SSB 的使用壽命，通過理解鋰金屬疲勞的作用，可以為設(shè)計具有更長壽命的鋰金屬負極提供理論依據(jù)，為全固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
圖文解讀
圖1. Li|LLZTO|Li 對稱電池的電化學(xué)性能及 LMA|LLZTO 界面的原位掃描電鏡（SEM）成像。
圖2. LMA-LLZTO 界面在循環(huán)電流下的原位 SEM 分析及失效分析。
圖3. 全固態(tài)電池（SSB）失效的定量分析。
圖4. 由鋰金屬負極（LMA）疲勞驅(qū)動的 SSB 失效機制。
結(jié)論展望
本研究通過原位掃描電子顯微鏡（SEM）、模擬和電化學(xué)分析，表明鋰金屬負極（LMA）疲勞是全固態(tài)鋰金屬電池（SSBs）中的一種普遍現(xiàn)象，并且在理解SSB在長期循環(huán)過程中失效的機制中起著關(guān)鍵作用。
作者發(fā)現(xiàn)，SSBs中LMA的疲勞遵循力學(xué)方程，表明其為一種固有特性。作者成功地量化了力學(xué)與電化學(xué)之間的關(guān)系，并建立了電流密度、容量、機械性能與SSB循環(huán)壽命之間的定量關(guān)聯(lián)。盡管金屬疲勞的研究已有近180年的歷史，但作者目前的工作賦予了疲勞在SSBs中新的意義，并成功利用這一概念解決了抑制LMA失效和延長循環(huán)壽命等挑戰(zhàn)。
原文詳情：
Tengrui Wang et al. ,Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries.Science388,311-316(2025).DOI:10.1126/science.adq6807
