在固态锂金属电池的研究中，石榴石型固态电解质（如LLZO）因其出色的化学稳定性和离子电导率备受关注。然而，晶界区域诱导锂枝晶生长问题，仍是限制其规模化应用的核心瓶颈之一。

近日，厦门大学吴顺情教授团队在 Nature Communications 发表题为《Grain boundary amorphization as a strategy to mitigate lithium dendrite growth in solid-state batteries》的研究论文，系统研究了晶界非晶化调控策略在抑制锂枝晶生长方面的微观机。研究基于机器学习势函数 + 分子动力学模拟 + 密度泛函理论的跨尺度计算模拟，揭示了晶界结构对锂离子分布、电子行为及力学响应的多重影响。

在不同取向与空腔结构的晶界模型中，锂离子表现出明显的富集或排斥趋势。空腔率越高的晶界越倾向于吸附锂离子，形成局部高浓度区域。这种偏析行为随时间演化逐步加剧，并可能在放电条件下持续存在，成为后续枝晶形成的“伏笔”。

图1.晶界处锂离子偏析行为

在构建的Li|LLZO|LZO全电池结构中，晶界偏析进一步扩大，富集锂主要源自负极，并向晶界持续输运。这不仅降低了本体区域的锂离子迁移效率，也破坏了原本的空间浓度均衡，削弱了电池的整体传输能力。

图2. 全电池放电过程分析

进一步模拟表明，晶界的空间排列方式对锂枝晶的形成路径具有决定性作用。晶界平行于电极的模型中，所以锂离子从负极迁移至正极必须经过这些晶界，而晶界垂直于电极模型中的锂离子能够从晶界两侧的晶体快速通过，所以其放电速度更快一些。但是晶界垂直于电极界面时，锂离子更容易聚集于界面并形成局部突起，从而增加枝晶向电解质内部生长的风险。

图3. 放电过程中的锂离子行为分析

为抑制这一过程，研究提出利用热处理诱导晶界发生局部非晶化。在适当温度下，晶界区域熔融形成非晶态，而LLZO本体保持晶体结构不变。非晶结构中的锂-锂配位数显著减少，原本在晶界中易形成的锂富集状态被打破，锂分布趋于均匀。

图4 | 非晶相的原位生成及结构分析

在完整的放电模拟中，晶界非晶化的模型中不再出现枝晶相关的突起结构，界面形貌保持平整。锂离子的迁移与嵌入更加连续稳定，有效阻断了枝晶自界面起始贯穿的风险。

图5. 晶界非晶化抑制锂枝晶的形成

从力学角度看，非晶晶界具备更高的断裂韧性和应变容忍度，在模拟拉伸过程中延展性能更强，避免了因局部应力集中造成的结构破坏。同时，电子结构分析表明，晶体晶界区域电子密度局域化显著，容易诱发界面还原反应，而非晶区域电子分布均匀，可在维持整体电化学稳定性的同时削弱还原反应的局部驱动力。这一策略的核心，不是堵住锂枝晶的路径，而是重构其生长所依赖的微观环境。

图6. 抑制锂枝晶形成的机制分析

总结

本研究基于机器学习势函数、分子动力学模拟和密度泛函理论，系统揭示了LLZO晶界引发的锂偏析与枝晶生成的微观机制，并提出“晶界非晶化”作为有效的界面调控策略。该方法不仅能缓解局部锂聚集，增强力学韧性，还能改善电子分布均匀性，实现多尺度稳定性提升。该研究为构建高安全性、高性能的固态电解质材料提供了新的理论基础与工程启示。

该论文的第一完成单位为厦门大学物理学系，第一作者为2021级博士研究生游逸玮，通讯作者为厦门大学吴顺情。该研究得到国家自然科学基金等项目的支持。

论文信息：

Yiwei You, Dexin Zhang, Zhifeng Wu, Tie-Yu Lü, Xinrui Cao, Yang Sun, Zi-Zhong Zhu & Shunqing Wu. Grain boundary amorphization as a strategy to mitigate lithium dendrite growth in solid-state batteries. Nature Communications 16, 4630 (2025).

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59895-9