《【SCIENCE ADVANCES】全固态电池中锂枝晶生长的序贯导向和限位动态控制》

  • 来源专题:新能源汽车
  • 编译者: 王晓丽
  • 发布时间:2025-09-02
  • 北京大学邹如强与高磊团队联合南方科技大学等单位,在SCIENCE ADVANCES发表最新研究。研究团队创新性地提出并实现了一种“引导+限制”的锂枝晶动态调控策略,通过对固态电解质层进行结构设计,成功实现了对锂枝晶的有效疏导与自限生长。


    • 固态电解质(SSE)有望表现出适当的机械强度,并有效抑制锂枝晶的渗透。然而,在固态电解质固有特性的驱动下,锂枝晶的生长是不可避免的。因此,以可控的方式引导锂枝突的生长比完全阻止其生长更为可行。
    • 研究提出了一种由分级氮化锂颗粒组成的结构层,该结构层可引导锂枝突在有限空间内生长。同时,该结构层与锂稳定性较低的电解质配对,可使被引导的锂枝突自我限制在界面的局部区域内。
    • 综合分析进一步表明,所设计的双层 SSE 能有效利用电池循环过程中界面产生的压力,实现对锂枝晶生长的动态控制。这种 SSE 的界面结构设计在调节全固态锂金属电池中的锂枝晶方面具有广泛的适用性。


  • 原文来源:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw9590
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    • 研究团队:北京大学邹如强/高磊团队联合南方科技大学韩松柏和深圳屹艮科技左沄兴 研究内容背景与挑战: 全固态电池(ASSBs)虽能提升安全性,但固态电解质(SSE)中锂枝晶的不可控生长仍是关键难题。传统抑制方法受限于SSE的本征缺陷(晶界、孔隙等)。 创新方案: 双层结构设计 疏导层:分级氮化锂(Li?N)颗粒(粗颗粒提供机械支撑,细颗粒引导枝晶限域生长) 自限层:低锂稳定性电解质,促使枝晶在界面局部区域自限生长 动态控制机制:利用充放电过程中的界面压力实现枝晶生长的主动调控。 成果与意义: 该设计通过“疏导+自限”策略,有效抑制枝晶穿透,提升电池循环稳定性,为ASSBs的实用化提供新思路。
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    • 来自材料牛 英国牛津大学Peter G. Bruce、T. James Marrow、 Charles W. Monroe教授课题组基于对全固态电池枝晶过程的多尺度多手段表征与原位追踪,提出了新的全固态电池枝晶理论,将全固态电池的枝晶短路过程分为引发和扩张两个不同的阶段,并分别建立了理论模型。其中枝晶的引发产生于锂在与Li/SE界面连通的近界面孔洞(缺陷)的沉积,在孔洞填满后将锂挤出的过程中,过大电流密度使得锂作为粘塑流体的流动过程产生极大的内部应力,从而引发电解质碎裂。而锂枝晶的扩张过程是一个锂枝晶在沉积的动态过程中从枝晶裂纹的尾部将固态电解质楔开(wedge open)的过程。枝晶的引发取决于固态电解质晶界的局部断裂强度、孔洞的尺寸、分布密度、及电流密度;而枝晶的扩张过程取决于固态电解质的宏观断裂韧性,枝晶在裂纹中的分布情况,电流密度,以及充电过程的面容量。根据锂金属在枝晶引发阶段与扩张阶段力学环境的差异,引发与扩张阶段对固态电池外部压力的敏感性截然不同。只有较大的压力才会大幅影响枝晶的引发过程,但枝晶的扩张过程却对外部压力非常敏感。降低外部压力可以显著抑制枝晶的扩张阶段,即使在枝晶引发的状态下也可以大幅延后固态电池的短路。研究成果以“Dendrite initiation and propagation in lithium metal solid-state batteries”为题发表于Nature。宁子杨、李冠辰、Dominic Melvin共同一作。