鋰金屬固態電池因高能量密度被視為下一代儲能核心方案，但其枝晶穿透問題制約產業化。材料微觀結構與力學性能表征是突破關鍵。本文探討（LPSCl）晶粒尺寸工程，解析其通過調控微觀結構抑制枝晶、提升臨界電流密度的機制。

光子灣3D 共聚焦顯微鏡為鋰電研發提供核心表征支持，可實現固態電解質表面粗糙度（0.01μm 分辨率）、晶界網絡及缺陷分布的快速重構，助力行業精準優化界面接觸力學與抗枝晶性能。

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界面缺陷與體相力學的雙重挑戰

枝晶是鋰金屬在固態電池充放電過程中，在電極/ 電解質界面不均勻沉積形成的樹狀晶體結構。鋰金屬陽極界面處鋰剝離/ 沉積過程中形成的孔隙與枝晶生長，會導致電池在高電流密度下短路失效。

盡管無機固態電解質（如Li?PS?Cl, LPSCl）具備高離子電導率（>1 mS/cm），但其界面粗糙度、晶粒尺寸與體相微觀結構（如孔隙率、晶界分布）如何協同影響枝晶生長動力學，仍缺乏系統性研究。

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晶粒工程與光學精密表征的結合

SG/LG-LPSCl 表面粗糙度的共聚焦顯微鏡 3D 形貌

研究通過冷等靜壓技術制備了兩種典型LPSCl 樣品：

小晶粒LPSCl（SG-LPSCl）：平均晶粒尺寸 < 500 nm，表面粗糙度 R?=1.1 μm；

大晶粒LPSCl（LG-LPSCl）：平均晶粒尺寸 20-40 μm，表面粗糙度 R?=6.5 μm。

利用共聚焦顯微鏡技術對樣品表面進行3D 形貌分析，發現晶粒尺寸直接決定表面粗糙度及缺陷密度：LG-LPSCl 因大晶粒邊界突出，經拋光后仍存在微米級凹凸結構，而 SG-LPSCl 表面更為平滑。這一差異為后續界面應力分布與枝晶生長行為奠定了微觀基礎。

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粗糙度引發的應力集中效應

鋰-電解質界面應力分布與枝晶生長機制示意圖

在鋰金屬與LPSCl 的界面接觸過程中，粗糙度主導了應力分布的不均勻性：

LG-LPSCl 界面：高粗糙度導致鋰金屬塑性流動不均，形成裂紋狀缺陷。根據斷裂力學理論，尖銳缺陷（如裂紋尖端曲率半徑ρ↓）會顯著提升應力集中因子，使局部應力遠超材料斷裂韌性（K IC），引發脆性斷裂。

SG-LPSCl 界面：低粗糙度促進鋰金屬均勻鋪展，形成致密孔隙而非尖銳裂紋，降低初始應力集中。

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體相晶粒微觀結構

FIB-SEM 觀察 SG/LG-LPSCl 的界面與體微觀結構

體相晶粒尺寸通過影響晶界密度與孔隙分布，決定了應力傳導路徑：

SG-LPSCl 的優勢：

晶界密度高：平均晶粒尺寸200-500 nm，晶界三叉點（TJ）密度比 LG-LPSCl 高 3 個數量級，形成密集的裂紋偏轉屏障。當枝晶試圖穿透晶界時，應力方向被迫改變，有效降低尖端應力強度。

孔隙協同作用：17% 的孔隙率雖降低體相強度，但孔隙作為 “應力緩沖器”，通過裂紋橋接機制分散能量，形成“R 曲線行為”（穩定裂紋生長）。

LG-LPSCl 的缺陷：

大晶粒（20-40 μm）導致晶界稀疏，應力沿少數路徑集中傳導，缺乏有效屏蔽；

低孔隙率（8%）使枝晶可無阻礙地向體相生長，最終引發短路。

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晶粒電化學性能

不同壓力下的電化學阻抗譜（PEIS）與界面接觸分析

通過對稱電池（Li|LPSCl|Li）恒電流測試發現，SG-LPSCl 的臨界電流密度（CCD）達 0.9 mA/cm2，是 LG-LPSCl（0.4 mA/cm2）的 2.25 倍。關鍵差異源于：

LG-LPSCl：高粗糙度界面引發電流聚焦，優先在尖銳缺陷處形成枝晶，體相大晶粒缺乏應力屏蔽，導致短路提前發生；

SG-LPSCl：均勻界面與密集晶界共同抑制枝晶生長，即使在高電流密度下，應力仍可通過多路徑分散，延緩失效。

綜上揭示了固態電解質微觀結構- 力學性能 - 電化學行為的內在關聯，而精準的材料表征是解析這一鏈條的核心。光子灣科技提供的共聚焦顯微鏡3D 形貌分析服務，可實現納米至微米級表面粗糙度、缺陷分布的定量測量，直接對接電池界面工程需求。

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光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準測量任務，提供值得信賴的高質量數據。

• 超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察
• 提供粗糙度、幾何輪廓、結構、頻率、功能等五大分析功能
• 采用針孔共聚焦光學系統，高穩定性結構設計
• 提供調整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數據處理功能

固態電池的商業化進程離不開跨尺度的材料表征與機理創新。光子灣科技以光學精密測量技術為核心，持續深耕鋰電領域的微觀結構分析與力學性能評估，助力行業實現從材料研發到工藝優化的精準調控。

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原文出處：《Li6PS5Cl microstructure and influence on dendrite growth in solid-state batteries with lithium metal anode》

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