一、同济态锂【科学背景】

固态锂金属电池（SSBs）因高能量密度和安全性被视为电动汽车的科大开理想选择，但其在循环过程中易因锂枝晶生长导致短路，导固电池缩短寿命，金属因此阻碍了SSBs的材料商业应用。传统研究认为界面接触不良或动力学限制是同济态锂主因，但即使优化了这些因素，科大开短路仍会发生。导固电池临界剥离电流（CSC）和临界电流密度（CCD）是金属评估锂枝晶抑制能力的两个常用指标。尽管已有研究关注界面接触和锂离子扩散速度对电池性能的材料影响，可以实现高CCD或CSC，同济态锂但仍然不清楚为什么以远低于CSC或CCD的科大开电流密度循环的SSBs仍然会遇到界面退化和Li枝晶生长。

二、导固电池【创新成果】

基于以上难题，金属同济大学罗巍教授与华中科技大学黄云辉教授联合在Science上发表了题为“Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries”的材料论文，揭示了锂金属阳极（LMA）疲劳是导致SSBs循环时失效的主要原因。研究人员通过原位SEM观察和相场模拟，发现锂金属在循环过程中因机械应力积累产生疲劳，导致微裂纹和空隙形成。这种疲劳遵循力学中的Coffin-Manson方程，表明疲劳是锂金属的固有特性。SSBs中锂金属疲劳的验证澄清了以前无法解释的现象，并为建立LMA的电流密度、容量、机械性能和SSB寿命之间的定量相关性提供了机会。锂金属阳极在电化学循环过程中的疲劳也重塑了对SSBs失效的认识，并为锂金属阳极的合理设计提供了见解。

三、【图文解析】

图1  Li|LLZTO|Li对称电池的电化学性能和LMA|LLZTO界面的原位SEM图像© 2025 AAAS

图2  循环电流作用下LMA-LLZTO界面的SEM分析及失效分析© 2025 AAAS

图3  SSB失效的定量分析© 2025 AAAS 

图4  LMA疲劳驱动的SSB失效机制© 2025 AAAS

四、【科学启迪】

综上，本研究表明LMA在循环过程中会因疲劳而产生微孔洞和裂纹，这些缺陷会导致界面阻抗增加和锂枝晶生长，最终导致电池短路。LMA的疲劳行为遵循材料力学中的Coffin-Manson方程，表明这是一种固有特性。通过该方程，研究人员建立了电流密度、容量、LMA的机械性能和SSBs寿命之间的定量关系。通过提高LMA的疲劳强度，可以显著延长SSBs的循环寿命。研究使用Li₂₀Zn合金阳极的电池寿命比纯锂阳极的电池寿命提高了约70%，接近理论预测值。随后研究人员提出疲劳极限电流（FLC）作为评估指标，FLC定义为在特定容量、容量保持率和循环次数下，不发生疲劳失效的电流。与CCD和CSC相比，FLC更能有效评估SSBs的长期循环性能。本研究不仅揭示了LMA疲劳对SSBs性能的影响，还为设计更稳定、寿命更长的SSBs提供了理论基础和实际指导。

原文详情：Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries (Science2025, 388, 311-316, DOI: 10.1126/science.adq6807)

本文由大兵哥供稿。