摘要：固态电池（Solid-State Batteries, SSBs），特别是使用锂金属负极和层状氧化物正极的固态锂金属电池，具有将当前最先进液态电解质锂离子电池比能量提高近一倍的潜力。

半导体工程师 2025年05月06日 09:29 北京

固态电池（Solid-State Batteries, SSBs），特别是使用锂金属负极和层状氧化物正极的固态锂金属电池，具有将当前最先进液态电解质锂离子电池比能量提高近一倍的潜力。

然而，在追求能量密度提升的过程中，我们必须重新思考电池系统的本质，特别是从力学角度理解电化学过程如何与机械行为交织在一起，共同决定着电池的性能与寿命。

本文将系统探讨固态电池中的力学问题及其对电池性能和可靠性的深远影响。

图1. 锂金属固态电池的示意图及相应的力学（黑色）和传输（白色）现象。

1 固态电池中的力学挑战

电池运行过程中，锂离子的嵌入与脱出必然导致电极材料的体积变化。在传统液态电解质系统中，液体的流动性能够迅速适应这种体积变化，不会在电解质中产生显著应力积累或与电极失去接触。而固态电解质的刚性本质使其无法轻易适应电极的体积变化，从而在电极-电解质界面处产生复杂的应力状态。

在正极侧，以层状氧化物正极为例，锂离子嵌入结构会形成晶格参数梯度和相应的非均匀偏应变与体积膨胀。这种体积变化的具体情况取决于正极材料的化学成分和结构，从LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂（NMC111）的3.3%到LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂（NMC811）的7.8%不等。这种膨胀或收缩在正极-固态电解质界面产生应力，若应力的拉伸分量超过受力材料的强度，则可能导致脆性断裂，破坏电极-电解质界面的完整性，进而影响电池的电化学性能。

在负极侧，锂金属的沉积与剥离过程同样伴随着体积变化。更为棘手的是，锂的沉积往往表现出高度不均匀性，导致界面上产生局部应力不稳定，促进锂的粗糙化以及锂丝状物（通常被称为"枝晶"）的形成与生长。这些丝状物具有穿透和破坏固态电解质的能力，即使面对最坚固的电解质材料，锂金属也表现出不寻常的穿透能力，这已成为固态电池商业化的关键障碍之一。

理解固态电池中的力学行为必须考虑材料在不同长度尺度和应变率下的机械响应差异。在固态电池正极中，颗粒通常大小为约6至10微米，单个晶粒在纳米级尺度，而不均匀的锂沉积物尺寸可从纳米到毫米不等。这种尺度范围广泛导致了截然不同的机械响应和失效机制。

同样值得注意的是，材料的力学响应强烈依赖于应变率，这与电池的充放电速率直接相关。小体积受限金属锂内的可持续压力严重依赖于应变率。这对需要快速充电或强脉冲放电的应用场景尤为重要。例如，电动汽车的快速充电可能需要4C或大于1微米/分钟的锂镀层速率，而偶尔的高功率需求可能要求高达20C或大于5微米/分钟的锂剥离速率，尽管持续时间较短。在这些不同操作条件下，材料的力学响应可能表现出显著差异，为电池设计带来了极大挑战。

从力学角度理解固态电池的运行，需要关注电化学过程与机械行为的紧密耦合。在电池运行过程中，氧化还原反应同时在正极-电解质和锂-电解质界面发生，这些反应伴随着物质迁移和结构变化，进而导致应力和应变的演变。

对于固态电池的成功设计，关键在于：（i）最小化或消除弹性应变的来源，特别是弹性应变的局部梯度；（ii）设计具有高效应力释放机制的材料，能够在广泛的电池相关长度尺度、温度和应变率下运行，而不诉诸于通过断裂来释放应力。

此外，当电化学过程逆转时，重要的是应力状态的相应变化不应阻碍电极和电解质在界面处的紧密接触，这可能需要某种形式的可逆应变。

2 应对固态电池力学挑战的策略

减少或消除电极体积变化是应对固态电池力学挑战的直接方法。在正极材料研究领域，已有一系列工作致力于开发零应变（Zero-Strain, ZS）正极材料。在这些材料中，随着锂的提取和嵌入，材料的晶格参数基本保持不变，从而产生净零应变。

尖晶石Li₄Ti₅O₁₂是这类材料中的典型代表。尽管其低电压限制了在大规模商业应用中的实用性，但它作为研究材料具有重要价值。研究表明，通过适当的元素掺杂，可以调控材料的体积变化行为。例如，少量铝掺杂的LiCoO₂(LCO)尖晶石既能稳定正极结构，又能确保其具有零应变特性，同时保持较高的容量和电压性能。

另一种策略是将负应变和正应变的活性材料配对，以在宏观上实现体积变化的相互抵消。例如，将负应变的LCO与正应变的NMC材料配对，可以减轻正极-电解质界面的机械应力。尽管这种方法有助于界面力学稳定性，但局部应变和相关应力仍可能导致正极颗粒的内部退化。

随着计算材料科学的进步，利用从头计算方法设计零应变正极材料已成为可能。研究确定了化学成分、离子排序和金属配位是设计零应变正极材料的三个关键变量，并成功合成表征了近零应变的无序岩盐型Li₁.₃V₀.₄Nb₀.₃O₂和Li₁.₂₅V₀.₅₅Nb₀.₂O₁.₉F₀.₁正极材料。这些进展为开发高能量密度、力学稳定的固态电池正极提供了新思路。

锂金属负极的不均匀沉积与剥离是固态电池面临的另一主要力学挑战。不均匀沉积导致的锂丝形成不仅降低了库仑效率，还可能导致固态电解质的机械破坏和电池失效。因此，实现锂金属的均匀沉积和无应力剥离是优化固态电池性能的关键目标。

提高锂沉积均匀性的策略之一是在锂金属与固态电解质之间引入适当的界面层。研究表明，使用Ag-C界面层可以显著改善锂金属的沉积行为。这种使用与锂金属形成合金的薄金属膜的技术在多种体系中均表现出提升锂沉积均匀性的能力。这些界面层既可以调节锂离子通量分布，又可以为锂金属提供成核位点，从而促进均匀沉积。

改善锂金属对固态电解质的润湿性是另一种有效策略。以石榴石型锂镧锆氧化物（LLZO）固态电解质为例，研究人员开发了两种提高锂金属润湿性的方法：一是去除表面的界面缺陷，包括碳酸锂等杂质；二是通过原子层沉积或其他方法在LLZO表面施加Al₂O₃等薄涂层。这些表面处理方法可以显著提高界面接触质量和临界电流密度，但在高充放电速率下，界面失效仍然是一个挑战，这与剥离过程中锂界面处的空洞形成有关。

此外，锂金属本身的纯度与微观结构也显著影响其沉积行为。通过X射线断层扫描研究发现，大多数商业锂金属箔中散布着大量缺陷。这些缺陷在锂剥离过程中往往在界面处聚集，导致应力集中，促进电解质的机械穿透和锂的不均匀沉积。因此，提高锂金属的纯度和质量对固态电池的性能同样至关重要。

3 固态电池中的应力释放机制

在固态电池运行过程中，锂离子的传输和沉积不可避免地引起局部机械应力。当这些应力无法有效释放时，会导致电池组件的机械失效，严重影响电池的性能和寿命。

锂金属中的塑性变形机制

锂金属作为固态电池中理想的负极材料，其力学行为对电池性能具有决定性影响。与室温下的大多数金属类似，锂金属中的塑性变形主要通过剪切驱动的位错滑移实现。然而，锂金属在室温下的高同质温度（相对于其熔点）赋予了它独特的力学特性。室温约为锂金属熔点（453.7K）的0.65倍，这一高同质温度使锂金属表现出显著的热激活滑移特性，导致其在宏观尺度上表现为柔软且易于成形的材料。

高同质温度还意味着锂金属处于持续的自退火状态。这一特性使得块状锂在室温下几乎没有明显的加工硬化能力，除非应变率足够高。此外，高同质温度还激活了其他热激活应力释放机制，如蠕变，虽然这些机制的操作效率存在显著差异。实验研究表明，在大多数电池相关的操作条件下，块状锂金属中的塑性变形通常将流动应力限制在约1 MPa或更低的水平。

尽管在宏观尺度上锂金属表现为低流动应力，但近期的纳米压痕和微/纳米柱研究揭示了锂在微纳米尺度上显著不同的力学行为。研究发现，在小型受限锂金属体积内，位错滑移的操作效率可能变得严重受限，导致锂金属能够承受高达200 MPa以上的应力。

具体而言，当锂晶须的直径从607纳米减小到76纳米时，其承受单轴压缩的屈服强度从12 MPa增加到244 MPa。这种"越小越强"的尺寸效应在锂金属的各种应力状态下（压缩、弯曲、拉伸和扭转）都有观察记录。在微纳米尺度下，小尺寸受应力体积内难以找到足够的位错密度来实现有效流动，从而导致流动应力显著增加。

这一现象与固态电池中观察到的现象高度相关，特别是当锂沉积在固态电解质的微小缺陷或孔隙中时。例如，在单晶LLZTO（锂镧锆钛氧化物）电解质中观察到的锂丝厚度（约300纳米）与这些锂晶须的尺寸相当。在这种"危险区"的临界长度尺度上，局部应力可能最大化，因为受应力体积对于有效的扩散流动来说太大（扩散长度太长），但又太小而无法找到触发位错运动所需的位错数量。结果，锂填充的界面缺陷中的应力可能比块状多晶锂金属的流动应力高出几个数量级。

图2. 锂金属的长度尺度和速率依赖力学特性。

锂块体结果（左）来自锂带拉伸测试。锂微观尺度结果（右）包括锂微柱和纳米晶须的压缩测试。可以观察到从毫米到纳米尺度，屈服应力增加了数个数量级。

锂金属的塑性变形行为强烈依赖于应变率，这与电池运行中的电流密度直接相关。在高应变率（对应高电流密度）条件下，锂可能来不及通过位错滑移或扩散流动释放应力，导致应力积累和潜在的机械失效。Herbert等人的研究表明，锂中的主导变形机制可能从位错介导的流动转变为扩散流动，而扩散流动的效率强烈依赖于应变率和长度尺度。

这一认识对固态电池设计具有重要启示：电流密度的选择应考虑锂金属的应变率敏感性，以确保在电池运行条件下锂金属能够有效释放应力。此外，固态电解质中的缺陷或孔隙尺寸也应精心设计，避免落入"危险区"范围，从而减少局部高应力区域的形成。

固态电解质的断裂行为

当锂金属无法有效释放应力，或在负极-电解质界面存在局部弹性应变梯度时，应力释放的负担可能转移到固态电解质上。然而，大多数固态电解质材料，无论是氧化物、硫化物还是卤化物，都表现出典型的脆性陶瓷特征。

断裂韧性（KC）是量化材料抗断裂能力的关键参数，表示传播现有裂纹所需的临界应力。对于离子和共价材料，断裂韧性通常与泊松比和原子体积相关。研究表明，即使是相对韧性较高的离子晶体（如立方尖晶石MgAl2O4），其断裂韧性也仅约为2 MPa m^(1/2)，这意味着在初始缺陷受到足够压力时，这类材料容易开裂。

从现有的无机陶瓷电解质数据来看，这些电解质的断裂韧性通常低于2 MPa m^(1/2)。例如，锂镧锆氧化物（LLZO）材料在多晶或单晶形式下都表现出较低的抗裂性。沿LLZO材料晶界的纳米压痕测试显示，晶粒内部和晶界附近体积之间几乎没有断裂韧性的差异。硫化物电解质表现出更低的抗断裂能力，约为0.2 MPa m^(1/2)。密实的卤化物材料也预计会表现出类似的断裂行为。

正极材料的微观和纳米力学行为研究相对较少，但现有数据表明它们与固态电解质表现出类似的断裂趋势。LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2单晶的断裂韧性约为0.3 MPa m^(1/2)，多晶团聚颗粒的断裂韧性约为0.1 MPa m^(1/2)。烧结的LiCoO2片的断裂韧性在0.2至6.5 MPa m^(1/2)之间变化，但大多数测量值低于1.1 MPa m^(1/2)。通过微柱断裂测定的LiMn2O4的断裂韧性为0.24 MPa m^(1/2)。

总体而言，正极材料表现出明显的脆性，断裂韧性KC约为1 MPa m^(1/2)。这强调了开发不产生硬接触且能通过非断裂方式缓解应力积累的电池材料的必要性。

陶瓷材料中的塑性变形可能性

固态电池中的主要应力来源包括：

1锂在固态电解质缺陷中的沉积产生的应力

2由固态电解质约束的正极颗粒膨胀产生的应力

3作为工程控制手段外部施加在电池上的应力（堆叠压力）

固态电池工程的核心目标之一是开发能在电池中可逆变形并限制应力而不引起断裂的材料组合。然而，与金属锂不同，陶瓷电解质在室温下通常无法激活滑移系统，而是倾向于发生脆性断裂。

一种值得探索的方法是在材料加工阶段有意引入晶体缺陷。在这种情况下，材料的韧化不是通过产生新位错，而是通过移动预先存在的位错来实现。因此，关键在于有意将高密度位错引入材料中，使裂纹尖端周围的小体积中有足够的位错概率。

一些特殊的加工方法可能实现这一目标，如闪烧结和气溶胶沉积。这已在TiO2的闪烧结中得到证实，该过程引入了堆垛层错和位错，使材料能够在压缩下变形高达10%而不断裂，并观察到带有局部应变的滑移带，类似于金属材料的变形。最近的研究也证明了在LLZO中引入位错和提高延展性的可能性。

图3. 通过在非晶材料中引发致密化和剪切流来触发塑性以避免断裂，以及通过在晶态陶瓷中引入位错来增韧。

非晶态材料（玻璃）可能提供另一种应对固态电池中应力问题的方案。与晶体材料不同，非晶材料缺乏有序的长程结构，这使得它们在微观尺度上可能表现出不同的变形行为。

非晶材料通常通过溅射沉积、等离子体火炬冷凝、高能研磨和其他超快速淬火工艺形成。

在宏观尺度上，非晶态电解质材料通常表现为脆性，但局部致密化和剪切流动可能允许在不断裂的情况下减小应力。这些过程根据成分和机械性能的不同而表现不同，其中模量与硬度比（E/H）和泊松比似乎具有最大影响。

氮氧化磷锂（Lipon）是一个表现出高抗断裂性的非晶固体电解质的典型例子。使用这种非晶薄膜固体电解质构建的电池已成功循环超过10,000次，保持95%的容量，且无锂渗透。此外，这种电池还实现了高达10 mA/cm²的电流密度。虽然关于非晶Lipon力学性能的研究有限，但现有结果表明，当制备为薄膜时，它是一种具有一定延展性的坚固材料。通过纳米压痕测量的模量和硬度得出E/H比约为23，高于典型氧化物玻璃（E/H = 10到13），表明Lipon具有一定程度的延展性。进一步研究表明，Lipon可以通过致密化和剪切变形来降低应力强度。

非晶材料中的应力释放机制——随时间变化的机械特性

非晶材料，特别是玻璃，其应力释放主要通过两种机制实现：等容剪切变形和致密化。这种分类方式长期以来一直作为区分"正常"和"异常"玻璃的重要依据。正常玻璃主要通过剪切流动释放应力，而异常玻璃则主要通过体积致密化实现应力释放。这两种机制在本质上反映了非晶材料网络结构的不同响应方式。

在等容剪切变形中，材料体积保持不变，应力通过原子或分子的相对滑移来释放。这种机制通常伴随着永久性的塑性变形，无法通过简单的热处理恢复。相比之下，致密化过程涉及到材料网络结构的紧密排列，导致体积减小，这种变形在特定条件下可以部分甚至完全恢复。

二氧化硅玻璃作为典型的异常玻璃，其非弹性变形几乎完全通过致密化机制进行。这种异常行为还表现在其密度与脆性之间的关系上——当密度降低时，脆性反而增加，这与大多数材料的行为规律相反。研究表明，二氧化硅玻璃中塑性（致密化）变形的能量估计值约为50 kJ/mol，与该材料恢复过程的活化能非常接近，这一数据为理解其变形与恢复机制提供了重要线索。

玻璃在低于其玻璃转变温度时，处于一种被称为"冻结液体"的状态。在这种状态下，材料的流动能力受到极大限制，其麦克斯韦弛豫时间可达约10¹⁰秒。然而，在足够高的应力条件下，例如通过纳米压痕施加的应力，即使在室温下，某些材料仍能表现出明显的黏弹性变形和蠕变行为。

硫化物玻璃离子导体Li₂S-P₂S₅(LPS)在纳米压痕测试中同时表现出蠕变和弛豫现象。这种行为表明，即使在远低于玻璃转变温度的条件下，非晶材料仍然可能通过局部结构重组来响应外部应力，这一特性对理解其在实际应用中的长期稳定性具有重要意义。

关于离子导电非晶材料和玻璃的变形行为与断裂机制的研究相对有限。然而，已有研究表明，Lipon等材料在室温下也表现出与LPS玻璃类似的部分恢复现象。基于分子动力学模拟的结果表明，Lipon中的致密化主要通过P-O-P键角的变化实现，这种结构变化可能是可逆黏弹性应变的本质原因。

图4. Lipon中的变形恢复，导致在循环加载的纳米压痕过程中呈现滞后性行为。

值得注意的是，这种部分恢复现象无需外部能量输入即可发生，表明材料本身具有自发恢复的能力。在循环加载条件下，这种部分恢复会导致类似滞回的循环行为，反映了非晶材料中能量存储与释放的复杂过程。这一特性对于理解非晶材料在循环应力条件下的长期性能具有重要意义。

4 电化学疲劳现象及其影响机制

传统结构材料中，循环应力和应变会导致损伤积累，最终因断裂而失效。类似地，活性电极材料对电化学循环负载的响应——即锂离子在主体结构中的重复插入和脱出——也会导致材料性能的逐渐退化。这种电化学疲劳过程与机械疲劳具有相似的本质，都涉及到微观结构缺陷的产生与扩展。

对于正极材料，电化学循环过程中的不可逆损伤积累主要表现在两个不同的尺度上：一是多晶正极颗粒中的晶间断裂，二是单个颗粒内部锂化诱导的位错动力学和穿晶断裂。前者在液体电解质电池中已有大量研究，而位错驱动的损伤机制则相对较少被理解，尤其是在层状氧化物材料中，这种损伤似乎是不可避免的。

在固态电池中，电极颗粒的循环电化学应变导致的尺寸变化足以在固体电解质和正极活性材料之间引发界面裂纹。此外，在固体电解质内部也可能产生附加裂纹，这些裂纹要么是界面裂纹的延伸，要么是为了释放复杂应力而形成的新断裂表面。

实验证据表明，这种界面断裂大多发生在第一个循环内，是初始容量损失的主要原因。然而，这种裂纹的演变可能是一个持续的过程，类似于疲劳裂纹的扩展。NMC811/β-Li₃PS₄正极中随循环次数增加而持续的容量损失表明，与开裂相关的损伤确实在逐渐积累。

当前的技术实践中，常通过对电池施加外部压力来减轻复合正极中开裂的影响。然而，这种方法在正极内部创造了复杂的应力状态，可能在局部区域产生高剪切应力，反而导致进一步开裂。这一矛盾突显了固态电池设计中的核心挑战：如何平衡机械稳定性与电化学性能。

理解电化学疲劳与机械疲劳的共同点和差异是优化固态电池设计的关键。电化学循环中，不仅存在机械应力的变化，还伴随着化学环境、电场分布以及界面特性的动态演变，这使得电化学疲劳现象比传统机械疲劳更为复杂。

图5. 复合固态正极的疲劳损伤，从右上角顺时针方向。

5 粘附和摩擦特性对界面稳定性的影响

近年来，在促进金属锂对LLZO等电解质润湿性的理解方面已取得一定进展，外部施加的堆叠压力的实用性也得到了证实。

然而，粘附和摩擦这两个直接关系到维持连贯界面的关键变量，仍是最不被充分理解的因素之一。这种知识缺口主要源于与测量粘附力和量化摩擦效应相关的实验挑战。

尽管微电子和薄膜行业已经开发了鼓包测试、划痕测试和纳米压痕等技术来测量粘附力，但定量测量仍然困难重重，简单的胶带拉拔测试等粗略方法在今天仍被广泛使用。

在向固态电池技术过渡的过程中，粘附力的准确测量因尺度效应和电池特有的工作条件（如温度和应变率）而变得更加复杂。微观尺度的界面行为与宏观尺度上观察到的现象可能存在显著差异，这要求发展新的实验方法和理论模型来理解界面动力学。

在堆叠压力作用下，摩擦效应对维持连贯界面变得尤为重要。例如，在锂-固体电解质界面，锂的向外径向流动受到非均匀界面剪切应力的阻碍。这种应力取决于多个因素，包括摩擦系数、堆叠压力、锂的相对厚度（随着循环而变化）以及摩擦条件。理解这些因素之间的相互作用对于优化固态电池设计至关重要。

界面粘附与摩擦不仅影响电池的初始性能，还决定了其长期稳定性。在电化学循环过程中，界面性质可能发生动态变化，这包括化学成分、形貌以及机械特性的演变。这种动态过程使得界面行为的预测和控制变得异常复杂。

6 锂在固体电解质中的扩展机制

基于当前对固体电解质失效的理解，裂纹形成在锂通过陶瓷电解质隔膜扩展过程中起着核心作用。研究表明，金属锂既可以沿晶界扩展，也可以穿过单晶扩展。这种渗透速度可能非常显著，例如实验观察到10 mA/cm²的电流可在短短37秒内导致2毫米厚的LLZO单晶短路。

碱金属的晶间渗透是多晶陶瓷电解质的典型问题，这一现象最早在钠β-氧化铝固体电解质研究中被发现。早期模型将钠的扩展描述为在具有规则简单横截面的小通道中的流动，并由Poiseuille压力驱动。类似的方法也被用于描述锂的应力释放，其中充满锂的界面缺陷被建模为细长的针状物。

一旦压力在固体电解质中产生初始裂纹，它可以沿着晶界或穿过晶粒扩展，直到局部应力强度降低到裂纹扩展阈值以下。早期研究主要显示石榴石电解质中的晶间锂渗透，而最近的原位研究表明裂纹既可以沿晶界也可以穿过晶粒扩展。这一现象可以通过LLZO石榴石中单晶和多晶断裂韧性值非常接近的事实来解释。

由于脆性材料中的裂纹扩展比随后的锂沉积快得多，因此已观察到贯穿整个电解质厚度但不含锂的断裂。这表明在某些情况下，机械断裂是首先发生的过程，锂的渗透是随后的结果。

锂引起的固体电解质失效可分为不同模式。传统观点（模式I降解）将锂丝状物视为从金属-电解质界面向电解质内部扩展。然而，研究表明锂的还原和随后的沉积也可能发生在电解质内部（模式II降解），远离与锂的界面。这种内部沉积可能由电解质晶界处的带隙减小驱动，导致电子导电性增加，从而使锂离子在电解质内部而非电极处还原。

这一观察具有根本性的重要意义，它将固体电解质与液体电解质区分开来——在后者中，锂沉积只能在电极表面发生。基于电镜观察，锂倾向于填充晶界交汇处的空隙，这表明基于主导应力释放机制的力学分析仍然适用，且在锂不流动的情况下，应力释放可通过电解质的裂纹进行。

图6. 锂通过固体电解质传播的示意图

模式I表示从表面缺陷开始的传播，通常不需要结晶度。模式II指锂在电解质空隙内沉积，随后发生穿晶或沿晶裂纹扩展的情况。第三种情况是锂沿晶界均匀沉积。

温度对锂在固体电解质中扩展行为有显著影响。研究临界电流密度与温度关系的实验结果表明，固态锂的机械行为与电池性能之间存在密切联系。在195°C时，熔融锂的临界电流密度增加了一个数量级，这种改善虽然显著，但并不令人意外，因为熔融状态的锂无法支持足以引发电解质断裂的应力。

温度不仅影响锂的机械性能，还影响其扩散系数和离子导电性。在较高温度下，锂的自扩散系数增加，同时固体电解质的离子导电性也提高，这可能缓解界面应力集中，减少裂纹形成的可能性。然而，温度升高也可能导致界面反应加速和其他不良效应，因此需要在实际应用中谨慎权衡。

结论

近期研究揭示了固态电池各组件中应变起源与应力释放机制的关键特性。值得注意的是，微观尺度下的锂金属强度较块状锂高出百倍以上，且无法有效释放界面积累的应力，这迫使固态电解质承担应力释放功能，往往导致电池失效。

固态电池的失效主要表现为两种模式：一是由锂扩散引起的电解质断裂导致的短路；二是充放电循环过程中由正极/电解质界面裂纹形成引起的容量衰减。这些失效现象与材料组件的尺度效应、力学特性及其应变能耗散能力密切相关。

为应对上述挑战，研究者建立了一个设计力学稳健固态电池的框架，包括：(1)识别并理解局部应变来源；(2)分析应变在界面产生的应力及材料响应机制；(3)设计具有理想应力-应变演变特性的电池材料与结构。

基于当前理解，未来研究应聚焦于：探究锂金属应力释放机制与尺度、温度及应变率的关系；研究陶瓷、玻璃等电解质材料的应力释放特性；为脆性电解质引入延展性；设计能消除锂金属不均匀沉积的负极结构；开发零应变或抗断裂正极材料；优化复合正极设计以最小化应变；建立包含尺度效应、摩擦、粘附与蠕变的详细力学模型。

Sergiy Kalnaus et al. ,Solid-state batteries: The critical role of mechanics.Science381,eabg5998(2023).

DOI:10.1126/science.abg5998

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

半导体工程师半导体行业动态，半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体培训/会议/活动，半导体社群，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。283篇原创内容公众号

来源：芯片测试赵工