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《Nano Letters》北工大程晓鹏等:采用原位电化学扫描电镜,首次实现工况条件下对固态电池锂枝晶生长行为的原位观察

发布时间:2024-02-26人气:

第一作者:曹天赐,许荣,程晓鹏

通讯作者:程晓鹏*,刘显强*,张跃飞*

论文完成单位:北京工业大学,西安交通大学,浙江大学

【研究背景】

固态锂金属电池充放电过程中锂枝晶的形成,是目前电池安全性关注的重点,然而目前关于锂在实际电池运行状态下是如何在固态电解质中形核,以及对体相内部锂枝晶的具体生长行为的认知仍然不清晰,影响到针对性改进措施的实施。因此有必要发展一种新的基于工况条件的原位方法来分析固态电池运行过程中内部锂的动态生长机制。

【成果简介】

近日,北工大程晓鹏等科研人员采用原位电化学扫描电镜,实现在工况条件下实时观察固态电池电解质内锂枝晶的生长与扩展,并一步建立了无机固态电解质中锂离子输运的电化学-机械应力耦合模型,相关研究成果以《Chemomechanical Origins of the Dynamic Evolution of Isolated Li Filaments in Inorganic Solid-State Electrolytes》为题,在国际权威期刊《Nano Letters》在线发表,此项关于锂枝晶生长机理的基础研究,对合理设计和安全生产固态电池提供了重要的理论指导。北京工业大学为论文第一完成单位,北京工业大学博士生曹天赐、西安交通大学许荣教授和北京工业大学助理研究员程晓鹏为论文共同第一作者,北京工业大学程晓鹏、刘显强,浙江大学教授张跃飞为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和北京市教委科技计划等项目资助。

【图文导读】

图1 (a) 原位观测SSE内锂枝晶生长的实验装置,(b-c) 电化学曲线中电流-电压变化和所对应的原位SEM中观测到的无机固态电解质锂镧锆钽氧(LLZTO)截面形貌演变过程。(d) 原位实验过程中SSE内部锂“细丝”演化具体过程的示意图。

图2 (a-b) 分别经历了0.05mA cm-2和0.01 mA cm-2电沉积过程后,LLZTO中的锂“细丝”分布状态变化和LLZTO深度方向内部微结构的形貌变化。(c) 0.05 mA cm-2电沉积过程后锂“细丝”生长导致的电解质撕裂以及0.01 mA cm-2电沉积过程后锂“细丝”溶解导致的电解质内部裂纹闭合。(d) LLZTO内部缺陷,裂纹和锂“细丝”演变的对应关系。

图3  (a-b) 在迭代放电电流下,电池的电流-电压响应的演变和相应的LLZTO截面形貌的SEM图像变化过程。(c) 原位SEM实验过程中SSE中内部锂“细丝”生长和溶解演变具体过程示意图。

【总结和展望】

锂枝晶问题仍然是影响固态电池性能安全运行的关键因素,本文利用原位电化学扫描电镜,构建了Li|LLZTO|Au“面对面”型电池结构,对锂枝晶生长行为在真实循环条件下进行了实时观察分析。实验发现锂在LLZTO中的生长呈现出一种动态特征,该特征受到电化学和机械应力之间相互作用的调控。基于实验数据分析,我们建立了电化学-力学耦合模型以理解在锂“细丝”的动态演化过程中机械应力和电化学循环之间的复杂相互作用,定量的数值结果可以为高性能锂金属固态电池的合理设计提供指导。

本文所提供的方法为在工况条件下原位表征不同体系固态电解质界面演化行为提供了新思路,助力固态电池的商业化应用进程。

论文链接: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

本文研究团队采用的是浙江祺跃科技有限公司研制的原位电化学扫描电子显微镜测试系统。祺跃科技有限公司,面向市场推出了一系列原位扫描电镜科学仪器,为广大科研人员提供了力、热、电、电化学以及多场耦合环境下材料结构演化过程纳米尺度原位观测手段。

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