固态锂电池界面工程突破：LPSCl 微观结构调控与共聚焦显微镜表征

锂金属固态电池因高能量密度被视为下一代储能核心方案，但其枝晶穿透问题制约产业化。材料微观结构与力学性能表征是突破关键。本文探讨（LPSCl）晶粒尺寸工程，解析其通过调控微观结构抑制枝晶、提升临界电流密度的机制。

光子湾3D 共聚焦显微镜为锂电研发提供核心表征支持，可实现固态电解质表面粗糙度（0.01μm 分辨率）、晶界网络及缺陷分布的快速重构，助力行业精准优化界面接触力学与抗枝晶性能。

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界面缺陷与体相力学的双重挑战

枝晶是锂金属在固态电池充放电过程中，在电极/ 电解质界面不均匀沉积形成的树状晶体结构。锂金属阳极界面处锂剥离/ 沉积过程中形成的孔隙与枝晶生长，会导致电池在高电流密度下短路失效。

尽管无机固态电解质（如Li?PS?Cl, LPSCl）具备高离子电导率（>1 mS/cm），但其界面粗糙度、晶粒尺寸与体相微观结构（如孔隙率、晶界分布）如何协同影响枝晶生长动力学，仍缺乏系统性研究。

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晶粒工程与光学精密表征的结合

SG/LG-LPSCl 表面粗糙度的共聚焦显微镜 3D 形貌

研究通过冷等静压技术制备了两种典型LPSCl 样品：

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。

利用共聚焦显微镜技术对样品表面进行3D 形貌分析，发现晶粒尺寸直接决定表面粗糙度及缺陷密度：LG-LPSCl 因大晶粒边界突出，经抛光后仍存在微米级凹凸结构，而 SG-LPSCl 表面更为平滑。这一差异为后续界面应力分布与枝晶生长行为奠定了微观基础。

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粗糙度引发的应力集中效应

锂-电解质界面应力分布与枝晶生长机制示意图

在锂金属与LPSCl 的界面接触过程中，粗糙度主导了应力分布的不均匀性：

LG-LPSCl 界面：高粗糙度导致锂金属塑性流动不均，形成裂纹状缺陷。根据断裂力学理论，尖锐缺陷（如裂纹尖端曲率半径ρ↓）会显著提升应力集中因子，使局部应力远超材料断裂韧性（K IC），引发脆性断裂。

SG-LPSCl 界面：低粗糙度促进锂金属均匀铺展，形成致密孔隙而非尖锐裂纹，降低初始应力集中。

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体相晶粒微观结构

FIB-SEM 观察 SG/LG-LPSCl 的界面与体微观结构

体相晶粒尺寸通过影响晶界密度与孔隙分布，决定了应力传导路径：

SG-LPSCl 的优势：

晶界密度高：平均晶粒尺寸200-500 nm，晶界三叉点（TJ）密度比 LG-LPSCl 高 3 个数量级，形成密集的裂纹偏转屏障。当枝晶试图穿透晶界时，应力方向被迫改变，有效降低尖端应力强度。

孔隙协同作用：17% 的孔隙率虽降低体相强度，但孔隙作为 “应力缓冲器”，通过裂纹桥接机制分散能量，形成“R 曲线行为”（稳定裂纹生长）。

LG-LPSCl 的缺陷：

大晶粒（20-40 μm）导致晶界稀疏，应力沿少数路径集中传导，缺乏有效屏蔽；

低孔隙率（8%）使枝晶可无阻碍地向体相生长，最终引发短路。

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晶粒电化学性能

不同压力下的电化学阻抗谱（PEIS）与界面接触分析

通过对称电池（Li|LPSCl|Li）恒电流测试发现，SG-LPSCl 的临界电流密度（CCD）达 0.9 mA/cm?，是 LG-LPSCl（0.4 mA/cm?）的 2.25 倍。关键差异源于：

LG-LPSCl：高粗糙度界面引发电流聚焦，优先在尖锐缺陷处形成枝晶，体相大晶粒缺乏应力屏蔽，导致短路提前发生；

SG-LPSCl：均匀界面与密集晶界共同抑制枝晶生长，即使在高电流密度下，应力仍可通过多路径分散，延缓失效。

综上揭示了固态电解质微观结构- 力学性能 - 电化学行为的内在关联，而精准的材料表征是解析这一链条的核心。光子湾科技提供的共聚焦显微镜3D 形貌分析服务，可实现纳米至微米级表面粗糙度、缺陷分布的定量测量，直接对接电池界面工程需求。

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

• 超宽视野范围，高精细彩色图像观察
• 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能
• 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计
• 提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

固态电池的商业化进程离不开跨尺度的材料表征与机理创新。光子湾科技以光学精密测量技术为核心，持续深耕锂电领域的微观结构分析与力学性能评估，助力行业实现从材料研发到工艺优化的精准调控。

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

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