王思哲/廖家轩Small综述：探究全固态电池中的锂枝晶问题：机制，表征以及抑制策略

第一作者：孙天锐

通讯作者：王思哲*，廖家轩*

单位：电子科技大学，电子科技大学长三角研究院（衢州），陕西科技大学

全固态电池(ASSB)被认为是下一代储能设备的发展前景之一。然而，由于锂枝晶(LD)的无限制生长而导致的失效一直是一个关键问题。由于枝晶过程是一个多物理场耦合过程，包括电、化学和机械因素，目前还没有明确的结论可以总结出ASSB中LDs生长的根本原因。本文对无机电解质在ASSB中产生LD的机理、鉴定和处理策略等方面的研究进展进行了综述。主要的触发因素被认为主要来源于界面和电解质内部，包括机械缺陷、不均匀离子传输、不均匀电子结构和不良的界面接触。最后，对部分具有代表性的研究成果进行了综合总结和展望，为进一步研究实现面向实际应用的ASSB提供了依据和指导。

近日，来自电子科技大学的廖家轩教授与陕西科技大学的王思哲教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Insight into Dendrites Issue in All Solid-state Batteries with Inorganic Electrolyte: Mechanism, Detection and Suppression Strategies”的综述文章。该综述文章详细讨论了搭载无机固态电解质的全固态电池中的枝晶机理以及表征手段，同时汇总并分析了在尝试克服全固态电池的枝晶问题上的进展。

锂枝晶生长的速度很大程度上取决于锂离子还原反应的速率。而锂离子还原的物理前提之一是要有不断的电子输入。然而，锂离子和电子的意外相遇会导致不理想的锂沉积，造成枝晶的形核和生长。计算和实验工作显示固态电解质的内部的一些结构具有较窄的带隙，例如晶界。这些窄带隙位置具有更窄的带隙，有利于锂离子在此处提前还原成锂金属，从而进一步发展成为枝晶。操作数电子显微镜通过电子枪模拟电子源来轰击固态电解质表面，从而发现晶界处优先生长的锂金属晶核很好的证明了这一点。同时，锂离子在晶界处被消耗后又产生了浓度梯度，吸引更多的锂离子向此处迁移，更加加剧了晶界处枝晶的生长。

电化学检测枝晶是最经济便捷的枝晶检测手段。但是传统的最为普遍的方法是将对称电池不断进行电流充放电循环，获得所谓的“临界电流密度”，用来表征电池对于枝晶的抗性。但是，这种方法存在诸多误区。温度、压力、循环程序等等外界因素都会导致来自不同报告的临界电流密度出现偏差。循环伏安法和交流阻抗谱也可以反应出一些电池内部的短路情况，这主要是由于在循环过程中变化的电池内阻。由此，结合一些额外的装置，这些方法也可以进一步延申，例如：探测电池内部压力的变化结合电化学阻抗谱用来分析界面反应的类型等。

我们总结了在锂金属表面通常存在的锂盐以及在SEI中被认为起到重要成分的锂盐，汇总了利用密度泛函理论计算得到的带隙并利用价键方法计算了其离子传输潜力。对于几种特殊的常见于界面修饰的组分的物理特质，我们进行了细致分析。例如，氟化锂和氮化锂的离子导电性，氮化锂薄层可能存在的量子限域效应等。同时，我们总结了对于不同固态电解质和锂金属界面反应所得到的锂盐成分。这为后续固态电池中人工设计SEI的成分起到了指导性的作用。

基于对固态电池中的锂枝晶相关物理图像分析，在文章的最后我们提出了四个面向未来解决锂枝晶问题的潜在方向，包括：建立更加精准的模型来精确模拟枝晶生长过程、更先进的表征手段用以获得对其明确的认识、更有效更实用的方法来提高对枝晶生长的抵抗力和革命性的固态电解质突破来支持实用性全固态电池。

Insight into Dendrites Issue in All Solid-state Batteries with Inorganic Electrolyte: Mechanism, Detection and Suppression Strategies 

孙天锐，于2022年6月毕业于哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院，获工学学士学位。目前在电子科技大学攻读硕士学位，师从廖家轩教授。主要研究方向为卤化物型固态电解质和其在全固态电池中的应用。

投稿请联系contact@scimaterials.cn