Nano Energy：应力耗散作用缓解LLZO电解质断裂困境

固态电解质 LLZO（Li₇La₃Zr₂O₁₂）因高机械强度和化学稳定性成为高能量密度锂金属电池的理想之选，然而实际应用中长期受两大难题制约：沉积锂引发局部高达 GPa 级的高压应力，致使 LLZO 开裂形成枝晶通道；此外，固态电解质与锂金属电极的点对点接触结构造成离子传输受阻、界面阻抗大幅增加。传统方案（如采用合金负极、元素掺杂）难以从根本上解决机械失效问题，为此本研究提出界面应力耗散新策略，通过独特PTFE节点纤维结构实现LLZO基固态电池的稳定循环。

近日，来自兰州大学的青年研究员徐英团队与湖南大学闫航航、厦门大学谢清水、美国西北大学Jiantao Li等团队，在国际知名期 Nano Energy上发表题为“Interfacial stress dissipation enabling stable solid Li metal batteries”的文章。该文章分析了现在常用的石榴石型LLZO固态电解质与电池锂金属电极之间界面的不稳定性，同时通过界面应力耗散的方式对界面不稳定性问题研究取得进展。

LLZO（Li₇La₃Zr₂O₁₂）固态电解质，凭借其卓越的高机械强度以及出色的化学和电化学稳定性，在众多固态电解质材料中脱颖而出，被广泛认为是构建高能量密度锂金属电池的理想之选。然而，在实际应用过程中，LLZO固态电解质面临着两大难题。一方面，锂枝晶的穿透问题尤为突出，锂沉积过程中引发的高达GPa级的局部高应力，极易导致LLZO出现开裂现象，进而形成锂枝晶穿透的通道，严重影响电池的安全性和稳定性；另一方面，由于LLZO与锂电极之间为固-固界面接触，这种点接触结构导致离子传输受到严重阻碍，界面阻抗急剧增加，进而降低了电池的整体性能。尽管已经尝试了例如合金负极、元素掺杂等传统方法来改善LLZO的性能，但这些方法难以从根本上解决LLZO的机械失效问题，无法有效抑制锂枝晶的生长和穿透，也无法显著改善固-固界面的接触状况，使用界面缓冲层是有效解决手段之一。

本研究针对LLZO固态电解质在锂金属电池应用中面临的机械失效难题，创新性地提出了界面应力耗散策略。该策略的核心在于引入一层具有独特节点纤维结构的PTFE（聚四氟乙烯）薄膜作为应力耗散层并置于LLZO与锂电极之间。这层PTFE薄膜不仅展现出非凡的能量耗散能力，能够在锂沉积过程中有效吸收并分散产生的高局部内部应力，从而防止应力集中导致的LLZO开裂和锂枝晶穿透问题；同时，PTFE薄膜还具备优异的柔韧性和机械适应性，能够紧密贴合电极表面，即使在电极经历充放电过程中的体积变化时，也能保持与电极的持续紧密接触，确保离子传输。这一创新设计不仅解决了LLZO固态电解质在实际应用中的关键瓶颈，还显著提升了锂金属电池的循环稳定性、安全性和整体性能，为开发高性能、长寿命的固态锂金属电池提供了新的思路和方法。

该研究不仅为开发高性能、长寿命的固态锂金属电池开辟了新的思路与方法，展现出重要的实用化潜力，通过实际应用验证能够有效提升电池的循环稳定性与安全性；同时，其在科学层面通过提出界面应力耗散策略解决LLZO固态电解质机械失效问题的创新性研究，系统阐释了应力分布与界面接触优化的内在机制，进一步丰富了固态电解质及锂金属电池领域的理论体系，为后续材料设计与性能优化提供了关键科学依据。