与当今的锂离子电池相比，具有锂金属负极和陶瓷电解质的固态电池引起了人们极大的关注，因为它们可以实现能量密度的阶跃变化，并提高安全性。然而，在实用电流密度下充电时，由于金属会穿透陶瓷电解质并导致短路，因此其发展受限。先前的研究表明，如果电解质具有足够高的剪切模量，则通过聚合物电解质的枝晶生长受到抑制。然而，剪切模量比锂高一个数量级的陶瓷并不能抑制枝晶生长，这表明枝晶穿透陶瓷的机制与穿透聚合物不同，目前还不清楚。

非原位和破坏性方法，包括对陶瓷电解质进行切片和使用诸如扫描电子显微镜的技术对锂金属进行成像，已被证明对研究这一问题很有价值。然而，在电池运行过程中，跟踪裂纹的发展和锂金属进入陶瓷的情况对于理解枝晶穿透和电池失效的机理非常重要。

鉴于此，英国牛津大学Peter G. Bruce教授（皇家科学院院士,工程院院士,英国皇家化学学会外籍院士）利用原位X射线计算机断层扫描技术（XCT）以及空间映射的X射线衍射，在Li/Li6PS5Cl/Li电池中跟踪了裂纹的演化和锂枝晶穿过固态电解质的发展与所传递电荷的关系。研究发现，在电镀时，裂纹的产生是由于陶瓷电解质中靠近电镀电极表面形成的层裂、锥形“坑洞”状裂纹。层裂主要发生在锂电极边缘局部电场较高的地方。然后横向裂纹从层裂扩展到电解质，从电镀电极扩展到剥离电极。锂离子的进入使裂纹从后部扩展，从而驱动层裂和横向裂纹的扩展；也就是说，裂纹前沿在锂之前传播。结果，在锂到达另一个电极之前，裂纹会穿过整个电解质，但并未发生短路，即裂纹在为锂枝晶的生长开路，随后锂填充在裂纹中。

文章亮点：

1、采用高空间分辨率和相衬的原位XCT，并结合空间映射X射线衍射，这使得能够实时跟踪裂纹的发展和锂进入陶瓷电解质的情况。

2、揭示了锂枝晶穿透陶瓷的机制，有利于理解枝晶穿透与电池失效的机理。

图1 Li/Li6PS5Cl/Li电池的原位相衬XCT显示锂电镀诱导的层裂

图2 数字体相关分析得到的最大法向三维应变图

图3 Li/Li6PS5Cl/Li电池的单次电镀过程中的原位相衬XCT虚拟横截面以及对裂纹中锂沉积的分析表明，裂纹在锂之前传播

图4 从原位XCT得到的切片和体积渲染图揭示了层裂和电解质中预先存在的孔隙之间的关系