近日，我校材料学院王鸣生教授课题组在固态电池界面问题及其表征方法研究中取得重要进展，相关研究成果以“Galvanostatic cycling of a micron-sized solid-state battery: Visually linking void evolution to electrochemistry”为题，发表于国际顶级期刊《Science Advances》。

全固态锂金属电池作为下一代兼具高能量密度和高安全性的电池技术引起了人们的广泛关注。然而，固态锂金属电池的实用化仍然严重受制于固态电解质（SE）与电极的固/固界面问题。其中，固态锂金属电池在放电时，锂金属（Li）会在Li/SE界面处发生剥离，从而产生孔洞（Void），导致电池性能迅速衰减，这也是固态电池有别于液态电池的根本性难题。这些界面孔洞如同电池内部的“隐形杀手”，不仅造成电池内阻激增，还容易在下一次充电时诱发锂枝晶生长，威胁电池安全。尽管科学界长期关注这一问题，但受限于技术手段，界面孔洞如何产生、演化及其与电化学行为的关联仍不明确。

针对上述问题，研究团队创新性地在透射电子显微镜（TEM）中构建了一种微米级固态电池（图1），并原位观察了该电池的充放电过程。通过高时空分辨成像技术，他们首次捕捉到锂金属溶出时界面孔洞从成核、生长到回填的全过程，并同步记录了电池的电压响应曲线。实验发现，锂金属的剥离存在两种截然不同的模式：一种是伴随孔洞生长的“非均匀剥离”，另一种是保持紧密接触的“逐层剥离”。后者在特定条件下可实现近乎无孔洞产生的稳定溶出，从而保障电池正常运行。以此为基础，该团队演示了世界上最小的可多次循环的固态锂金属对称电池。

研究进一步揭示了孔洞形成的“偏好区域”——固态电解质表面的晶界和污染物。团队通过相场模拟和分子动力学计算，阐明了这些缺陷导致局部电场集中和锂原子扩散速率差异的机制，为界面优化提供了理论指导。此外，传统观点认为，施加外部压力可导致锂金属的塑性变，从而抑制孔洞生长。而该研究发现，局部区域的锂金属通过“逐层剥离”（而无需塑性变形）也能抑制孔洞生长，这种新机制为无压力或低压力固态电池的设计开发提供了新思路。

该研究建立的原位电镜表征方法较为简单便捷，可推广至其他固态电池体系（如硫化物电解质基或硅基固态电池）的表征，为界面问题的研究提供了通用工具。此外，所揭示的界面动态规律和抑制策略，可有效指导高性能固态电池的材料设计与器件优化，为其产业化进程提供助力。

图1锂金属的两种剥离模式：“非均匀剥离”和“逐层剥离”。

材料学院2020级博士生高浩文、中山大学林晨教授和哈尔滨工业大学刘远鹏教授为本文共同第一作者，王鸣生教授为通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金（52172240, 12372097）的资助。

论文连接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adt4666

（材料学院）