全固态电池，通过以固态电解质和锂金属分别替代易燃液态电解质和石墨负极，被认为有望同时实现更高的安全性和更高的能量密度。
然而，柔软的锂枝晶穿透坚硬陶瓷电解质这一问题，仍是全固态锂金属电池走向实际应用的重大障碍。
由于难以表征枝晶尖端处纳米尺度锂的分布及其微观结构，机械性质较软的锂枝晶究竟如何导致坚硬陶瓷电解质发生断裂，这一机制至今仍存在争议。
在此，来自德国马克斯·普朗克可持续材料研究所的张宇威、Gerhard Dehm、Zhang Siyuan，以及马克斯·普朗克可持续材料研究所&的刘传来等研究者结合多尺度低温电子显微表征与微观力学断裂模型，系统揭示了石榴石型电解质中由锂枝晶驱动的断裂过程。相关论文以题为“Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte”于2026年04月22日发表在Nature上。
“柔软锂金属穿透坚硬陶瓷固态电解质”的反直觉现象，通常被归因于两种不同的失效机制。
一种观点认为，锂枝晶内部压力的持续积累会诱发固态电解质发生机械断裂，从而为枝晶进一步扩展并最终导致电池短路提供通道。
另一种观点则认为，固态电解质晶界处的电子泄漏会促进孤立锂晶核的形成，这些锂晶核随后彼此连通，最终造成电池短路。
要真正厘清这一“以软穿硬”现象的本质机制，就必须同时获得纳米尺度和微米尺度下锂的微观结构与化学信息，尤其需要聚焦于枝晶尖端区域，因为锂的沉积和裂纹扩展正是在这一位置发生的。
在此，本研究借助模型电池设计，并结合一系列低温电子显微表征手段，观察到了固态电解质中同时存在的晶间断裂与穿晶断裂现象，同时发现锂在枝晶尖端已完全填充纳米尺度裂纹。
低温扫描透射电子显微镜（cryo-STEM）结果表明，在枝晶尖端前方并未检测到孤立的锂晶核。
值得注意的是，在靠近 Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12（LLZTO）界面的锂枝晶区域，仅观察到较小幅度的晶格旋转，而枝晶内部则未检测到可测量的晶格旋转。
这说明锂枝晶内部几乎不存在明显剪切变形，因此其应力状态主要表现为静水压力主导。微观力学断裂模型进一步支持了这一解释。
锂枝晶中仅表现出有限的晶格旋转和塑性变形，这表明沉积锂会产生显著的静水压力，进而在固态电解质中诱发拉应力，最终驱动晶间断裂和穿晶断裂的共同发生。
相比之下，在锂枝晶尖端前方区域，并未观测到可测量的锂富集或锂金属晶核形成。
进一步研究表明，在石榴石固态电解质中，这种由机械作用主导的锂渗透行为可以通过在电解质内部构建几何设计的空隙进行引导，从而有效缓解短路问题。
上述结果表明，增强晶界韧性以及开展缺陷工程设计，是构筑抗枝晶固态电解质的有效策略。
该策略为抑制枝晶贯穿、提升固态电池安全性与稳定性提供了新的设计思路。
图1 锂枝晶渗透过程中LLZTO固体电解质的形貌、微观结构及断裂统计。
图2 锂枝晶尖端断口形貌及元素分布。
图3 LLZTO中锂枝晶微观结构及锂枝晶侵彻的相场压裂模拟。
图4 通过工程空隙调整锂枝晶生长。
综上所述，本研究表明，锂枝晶在石榴石型固态电解质中的穿透本质上是由力学诱导断裂所驱动的。
为抑制枝晶诱发的失效、实现稳定可靠的全固态锂金属电池，基于上述机理认识，研究者提出以下几项设计策略：
1. 提升晶界抗断裂能力
如图 1g 所示，裂纹往往会沿晶界发生偏转，即使这意味着裂纹扩展驱动力有所降低。这一现象说明晶界处的断裂抗力明显不足，其抗断裂能力仅为块体材料的约 1/3 到 1/5。
已有研究表明，可通过掺杂等策略增强晶界强度，从而提高其抗裂性能。
2. 提高固态电解质的断裂韧性
如图 2c、d 所示，枝晶尖端附近未观察到位错活动，这凸显了石榴石型电解质固有的脆性特征，以及其在锂枝晶穿透过程中难以通过塑性变形来释放应力的局限性。
若能通过位错激活、剪切流动等机制提升材料的断裂韧性，就有望增强应力耗散能力，并在锂沉积过程中延缓裂纹扩展。
3. 通过力学引导实现枝晶扩展路径重定向
如图 4b 所示，与枝晶扩展方向垂直排列的横向空隙能够改变枝晶的生长路径，从而避免短路的发生。这一概念验证表明，在材料内部引入局部缺陷，例如空隙、裂纹或弱界面，可以有效调控枝晶的传播方向。
为了将这一策略应用于更薄的固态电解质隔膜中（理想厚度可低至约 20 μm），多层固态电解质中的界面有望作为力学上的薄弱区域，用于引导枝晶偏转扩展。
该方法为在保持整体离子传输性能和化学稳定性的同时，抑制枝晶诱导短路提供了一个基本设计原则。不过，要在这类低维工程体系中实现可规模化制备，仍需进一步深入研究。
参考文献
Zhang, Y., Motahari, S., Woods, E.V. et al. Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte. Nature 652, 912–918 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10415-9
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10415-9
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