第一作者：曹天賜，許榮，程曉鵬
通訊作者：程曉鵬*，劉顯強*，張躍飛*
論文完成單位：北京工業(yè)大學(xué)，西安交通大學(xué)，浙江大學(xué)
【研究背景】
固態(tài)鋰金屬電池充放電過程中鋰枝晶的形成，是目前電池安全性關(guān)注的重點，然而目前關(guān)于鋰在實際電池運行狀態(tài)下是如何在固態(tài)電解質(zhì)中形核，以及對體相內(nèi)部鋰枝晶的具體生長行為的認知仍然不清晰，影響到針對性改進措施的實施。因此有必要發(fā)展一種新的基于工況條件的原位方法來分析固態(tài)電池運行過程中內(nèi)部鋰的動態(tài)生長機制。
【成果簡介】
近日，北工大程曉鵬等科研人員采用原位電化學(xué)掃描電鏡，實現(xiàn)在工況條件下實時觀察固態(tài)電池電解質(zhì)內(nèi)鋰枝晶的生長與擴展，并一步建立了無機固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子輸運的電化學(xué)-機械應(yīng)力耦合模型，相關(guān)研究成果以《Chemomechanical Origins of the Dynamic Evolution of Isolated Li Filaments in Inorganic Solid-State Electrolytes》為題，在國際權(quán)威期刊《Nano Letters》在線發(fā)表，此項關(guān)于鋰枝晶生長機理的基礎(chǔ)研究，對合理設(shè)計和安全生產(chǎn)固態(tài)電池提供了重要的理論指導(dǎo)。北京工業(yè)大學(xué)為論文第一完成單位，北京工業(yè)大學(xué)博士生曹天賜、西安交通大學(xué)許榮教授和北京工業(yè)大學(xué)助理研究員程曉鵬為論文共同第一作者，北京工業(yè)大學(xué)程曉鵬、劉顯強，浙江大學(xué)教授張躍飛為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金和北京市教委科技計劃等項目資助。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 (a) 原位觀測SSE內(nèi)鋰枝晶生長的實驗裝置，（b-c) 電化學(xué)曲線中電流-電壓變化和所對應(yīng)的原位SEM中觀測到的無機固態(tài)電解質(zhì)鋰鑭鋯鉭氧（LLZTO）截面形貌演變過程。(d) 原位實驗過程中SSE內(nèi)部鋰“細絲”演化具體過程的示意圖。
圖2 (a-b) 分別經(jīng)歷了0.05mA cm-2和0.01 mA cm-2電沉積過程后，LLZTO中的鋰“細絲”分布狀態(tài)變化和LLZTO深度方向內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的形貌變化。(c) 0.05 mA cm-2電沉積過程后鋰“細絲”生長導(dǎo)致的電解質(zhì)撕裂以及0.01 mA cm-2電沉積過程后鋰“細絲”溶解導(dǎo)致的電解質(zhì)內(nèi)部裂紋閉合。(d) LLZTO內(nèi)部缺陷，裂紋和鋰“細絲”演變的對應(yīng)關(guān)系。
圖3 ?(a-b) 在迭代放電電流下，電池的電流-電壓響應(yīng)的演變和相應(yīng)的LLZTO截面形貌的SEM圖像變化過程。(c) 原位SEM實驗過程中SSE中內(nèi)部鋰“細絲”生長和溶解演變具體過程示意圖。
【總結(jié)和展望】
鋰枝晶問題仍然是影響固態(tài)電池性能安全運行的關(guān)鍵因素，本文利用原位電化學(xué)掃描電鏡，構(gòu)建了Li|LLZTO|Au“面對面”型電池結(jié)構(gòu)，對鋰枝晶生長行為在真實循環(huán)條件下進行了實時觀察分析。實驗發(fā)現(xiàn)鋰在LLZTO中的生長呈現(xiàn)出一種動態(tài)特征，該特征受到電化學(xué)和機械應(yīng)力之間相互作用的調(diào)控?；趯嶒灁?shù)據(jù)分析，我們建立了電化學(xué)-力學(xué)耦合模型以理解在鋰“細絲”的動態(tài)演化過程中機械應(yīng)力和電化學(xué)循環(huán)之間的復(fù)雜相互作用，定量的數(shù)值結(jié)果可以為高性能鋰金屬固態(tài)電池的合理設(shè)計提供指導(dǎo)。
本文所提供的方法為在工況條件下原位表征不同體系固態(tài)電解質(zhì)界面演化行為提供了新思路，助力固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用進程。
論文鏈接：Tianci Cao?, Rong Xu?, Xiaopeng Cheng*?, Mingming Wang, Tao Sun, Junxia Lu, Xianqiang Liu*, Yuefei Zhang*, Ze Zhang，Chemomechanical Origins of the Dynamic Evolution of Isolated Li Filaments in Inorganic Solid-State Electrolytes, Nano Lett. 2024, 24, 6, 1843–1850.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03321
本文研究團隊采用的是浙江祺躍科技有限公司研制的原位電化學(xué)掃描電子顯微鏡測試系統(tǒng)。祺躍科技有限公司，面向市場推出了一系列原位掃描電鏡科學(xué)儀器，為廣大科研人員提供了力、熱、電、電化學(xué)以及多場耦合環(huán)境下材料結(jié)構(gòu)演化過程納米尺度原位觀測手段。
