机械力导致锂枝晶刺穿石榴石固态电解质

全固态电池有望提升安全性与能量密度，但锂金属负极在固态电解质中生长出的柔软锂枝晶，却能刺穿坚硬的陶瓷电解质，导致电池短路失效，这一直是个关键瓶颈。过去对此现象存在两种主流解释：一种认为是枝晶内部压力积累导致电解质机械断裂；另一种则认为电子沿晶界泄漏，促使孤立锂核形成并连通造成短路。本研究利用低温多尺度电子显微镜与微力学断裂模型，首次直接观察到锂枝晶完全填充纳米级裂纹尖端，并延伸至微米级裂纹中。分析发现，枝晶内部几乎无晶体晶格旋转和塑性变形，表明其处于高静水应力状态（约600 MPa），该压力传导至周围电解质，诱发拉伸应力，从而驱动沿晶界（晶间）和穿晶（晶内）两种方式的裂纹扩展。值得注意的是，在枝晶尖端前方（包括晶界和三叉结点）并未检测到任何锂富集或锂核，排除了电子泄漏诱导成核的主导机制。进一步研究表明，可通过在电解质中预先构筑几何形状可控的微孔（如垂直于枝晶生长方向的凹痕），主动引导枝晶发生宏观转向（约45°），使其沿预设裂纹路径偏转，从而有效规避贯穿性短路。基于此，文章提出三项实用设计策略：一是增强晶界断裂韧性（如掺杂改性）；二是提升电解质整体断裂韧性（如激活位错或剪切流）；三是工程化引入可控缺陷（如界面、孔隙）实现枝晶路径的力学引导。这些发现为开发安全、可靠的固态锂金属电池提供了清晰的材料与结构设计路径。