固態(tài)鋰金屬電池（SSBs）因其高能量密度和安全性，被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的理想選擇。然而，這些電池在循環(huán)過程中由于鋰枝晶的無控生長而面臨短路挑戰(zhàn)。鋰枝晶的生長不僅會(huì)穿透固態(tài)電解質(zhì)（SSE）導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，還會(huì)引發(fā)界面退化，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命和安全性。盡管已有研究通過界面工程和高堆疊壓力等方法來抑制鋰枝晶的生長，但這些方法并不能充分解決電池在長期循環(huán)中的失效問題。因此，深入理解固態(tài)電池失效的內(nèi)在機(jī)制對于開發(fā)高性能、長壽命的固態(tài)鋰金屬電池至關(guān)重要。 近日，同濟(jì)大學(xué)羅巍和華中科技大學(xué)黃云輝團(tuán)隊(duì)通過原位掃描電子顯微鏡（SEM）和相場模擬等技術(shù)，揭示了固態(tài)鋰金屬電池（SSBs）失效與鋰金屬陽極（LMA）疲勞之間的密切關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，鋰金屬陽極在電化學(xué)循環(huán)過程中會(huì)經(jīng)歷疲勞現(xiàn)象，這種疲勞現(xiàn)象遵循力學(xué)中的Coffin-Manson方程，表現(xiàn)為鋰金屬內(nèi)部逐漸產(chǎn)生微孔和裂紋，最終導(dǎo)致界面退化和電池失效。通過實(shí)驗(yàn)和模擬，作者建立了電流密度、容量、鋰金屬陽極的力學(xué)性能與電池壽命之間的定量關(guān)系，并提出了通過增強(qiáng)鋰金屬陽極的疲勞強(qiáng)度來延長電池壽命的新策略。這些發(fā)現(xiàn)為理解固態(tài)鋰金屬電池的失效機(jī)制提供了新的視角，并為設(shè)計(jì)高性能固態(tài)電池提供了理論基礎(chǔ)。該成果以“Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries"為題發(fā)表在《Science》期刊上。 研究中，團(tuán)隊(duì)使用了國儀量子的鎢燈絲掃描電鏡SEM2000匹配原位拉壓設(shè)備對固態(tài)電磁鋰金屬的機(jī)械疲勞性能進(jìn)行測試，獲得了良好的測試結(jié)果。 本文揭示了固態(tài)鋰金屬電池（SSBs）失效與鋰金屬陽極（LMA）疲勞之間的密切關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)和模擬建立了電流密度、容量、LMA的力學(xué)性能與電池壽命之間的定量關(guān)系。 鋰金屬陽極疲勞現(xiàn)象在循環(huán)載荷下，材料會(huì)在低于其抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力水平下產(chǎn)生裂紋和斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。對于鋰金屬陽極，疲勞表現(xiàn)為在電化學(xué)循環(huán)過程中，鋰金屬內(nèi)部逐漸產(chǎn)生微孔（microvoids）和裂紋，最終導(dǎo)致界面退化和電池失效。通過原位掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到，在低電流密度（0.1 mA/cm2）和低容量（0.0083 mAh/cm2）條件下，鋰金屬陽極在循環(huán)過程中逐漸出現(xiàn)缺陷、滑移帶和微裂紋，最終導(dǎo)致電壓升高和電池失效。 疲勞與電池失效的關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電池的失效可以通過疲勞機(jī)制分為三種模式：缺陷疲勞主導(dǎo)的失效：當(dāng)鋰金屬陽極與固態(tài)電解質(zhì)（SSE）接觸不良時(shí)，初始缺陷會(huì)增加局部電流密度和應(yīng)力集中，加速界面退化。動(dòng)力學(xué)疲勞主導(dǎo)的失效：在高電流密度下，鋰離子擴(kuò)散速度有限，導(dǎo)致鋰剝離過程中產(chǎn)生微孔，這些微孔在循環(huán)過程中進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致快速界面退化。疲勞主導(dǎo)的失效：即使在低電流密度下，鋰離子擴(kuò)散速度足夠防止微孔形成，循環(huán)應(yīng)力仍會(huì)導(dǎo)致鋰金屬疲勞，最終引發(fā)界面退化。即使在低于臨界剝離電流（CSC）或臨界電流密度（CCD）的條件下，電池仍然會(huì)因疲勞而失效。這是因?yàn)槠谑且环N累積損傷過程，與電池的長期循環(huán)壽命密切相關(guān)。 定量關(guān)系的建立研究通過實(shí)驗(yàn)和模擬驗(yàn)證了鋰金屬疲勞遵循Coffin-Manson方程，該方程描述了材料的疲勞壽命與塑性應(yīng)變之間的關(guān)系。通過相場模擬，研究建立了電流密度與應(yīng)力之間的關(guān)系，以及容量與塑性變形之間的關(guān)系，并將其應(yīng)用于Coffin-Manson方程。模擬結(jié)果顯示，鋰金屬陽極上的應(yīng)力與電流密度的四次方成正比。鋰金屬陽極的塑性變形與容量呈線性關(guān)系。通過Coffin-Manson方程，研究預(yù)測了不同電流密度和容量條件下的電池壽命，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。 提升電池壽命的策略研究發(fā)現(xiàn)，通過提高鋰金屬陽極的疲勞強(qiáng)度，可以顯著延長電池壽命。例如，使用Li??Zn合金陽極，其機(jī)械強(qiáng)度是純鋰的三倍，電池壽命從145個(gè)循環(huán)提高到249個(gè)循環(huán)。作者提出了一個(gè)新的評價(jià)指標(biāo)——疲勞極限電流（FLC），定義為在特定容量、容量保持率和循環(huán)次數(shù)下，不發(fā)生疲勞失效的較大電流。與CSC和CCD相比，F(xiàn)LC更能反映電池的長期循環(huán)性能。 本文通過實(shí)驗(yàn)和模擬揭示了鋰金屬陽極疲勞是固態(tài)鋰金屬電池失效的內(nèi)在機(jī)制，并建立了電流密度、容量、力學(xué)性能與電池壽命之間的定量關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)高性能固態(tài)電池提供了新的思路，特別是在提高陽極的疲勞強(qiáng)度和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)方面。