高密度Li6PS5Cl固态电解质实现9 mA cm-2无枝晶锂沉积的突破性研究

为解决全固态电池中锂枝晶穿透导致短路的核心难题，牛津大学团队通过优化Li6PS5Cl（argyrodite）电解质的致密化工艺，将临界电流密度（CCD）提升至10 mA cm-2，首次实现9 mA cm-2稳定循环。该研究通过FIB-SEM和XCT揭示微观结构演变规律，建立孔隙-裂纹协同作用模型，为高电流密度固态电池设计提供新范式。

　　

在新能源革命的浪潮中，全固态锂电池因其高能量密度和本征安全性被视为下一代储能技术的制高点。然而，当锂金属负极遇上陶瓷固态电解质，一个"幽灵"始终萦绕在研究者心头——锂枝晶。这些微观的锂纤维如同暗夜中的刺客，在充电过程中刺穿电解质，造成电池短路。更令人沮丧的是，即便是相对密度高达99%的石榴石型电解质（如LLZO），其耐受的临界电流密度（Critical Current Density, CCD）通常也仅徘徊在1 mA cm^-2左右，远未达到电动汽车快充所需的5 mA cm^-2标准。

面对这一困境，牛津大学Peter G. Bruce团队将目光投向了硫化物电解质家族中的明星材料——Li₆PS₅Cl（argyrodite）。这种材料虽具有高达10^-3 S cm^-1的离子电导率，但其机械性能（杨氏模量仅28 GPa）却像一把双刃剑：既有利于界面接触，又可能助长枝晶渗透。研究者们敏锐地意识到，单纯提高密度或许并非解决之道，必须深入理解微观结构参数与CCD的定量关系。

关键技术方法

研究采用火花等离子烧结（SPS）在300-400°C制备83%-99%密度的Li₆PS₅Cl电解质；通过FIB-SEM三维重构定量分析孔隙/裂纹尺寸分布；结合原位X射线断层扫描（XCT）实时观测枝晶生长；建立基于粘塑性流动的枝晶穿透模型，计算不同微观结构参数对CCD的贡献权重。

研究结果

CCD与致密化的关系

当Li₆PS₅Cl密度从83%提升至99%时，CCD从1 mA cm^-2跃升至10 mA cm^-2。FIB-SEM三维重建显示：高密度样品孔隙体积显著减少，裂纹网络更趋致密。值得注意的是，99%密度样品在9 mA cm^-2下循环100次仍保持稳定，而83%样品仅6次循环即短路。

原位XCT验证

XCT动态观测揭示：83%密度样品在1 mA cm^-2即产生横向裂纹并伴随电解质剥落；而99%密度样品在9 mA cm^-2下无枝晶迹象，仅在10 mA cm^-2出现直线型穿透裂纹，且无剥落现象。

微观结构参数解析

通过建立孔隙-裂纹协同模型发现：致密化过程中孔隙半径从2.3 μm缩小至0.5 μm、裂纹长度从2.5 μm缩短至1.5 μm可提升CCD；但孔隙间距从10 μm增至22 μm、裂纹宽度从158 nm减至125 nm却会降低CCD。计算表明前者的正向效应强于后者，净结果使CCD随密度提升。

结论与展望

这项发表于《Nature Energy》的研究颠覆了"单纯提高密度即可抑制枝晶"的传统认知，首次量化了Li₆PS₅Cl微观结构参数与CCD的构效关系。其重要意义在于：

1. 1.

   提出"孔隙尺寸-裂纹几何"协同优化策略，为固态电解质设计提供新思路；

2. 2.

   实现9 mA cm^-2稳定循环，接近实用化快充需求；

3. 3.

   建立普适性枝晶穿透模型，可推广至其他电解质体系。

未来研究可探索更经济的致密化工艺，并验证该模型在氧化物/卤化物电解质中的适用性。正如研究者所言："理解枝晶就像在下一盘多维象棋，我们必须同时考虑孔隙、裂纹、力学和电化学多个棋盘上的走法。"这项研究为全固态电池的"快充之梦"点亮了新的路标。