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燕山大學在原位揭示鋰枝晶生長機理研究中取得重要進展

2020-01-07亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室 張春祥(點擊:)

【新聞中心訊】近日,我校亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室黃建宇教授、沈同德教授與國內外科學家合作,在Nature Nanotechnology上發表題為“Lithium whiskers growth and stress generation in an in situ atomic force microscope-environmental transmission electron microscope setup”的研究論文(論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41565-019-0604-x)。該成果實時、直觀地記錄了鋰枝晶生長的微觀機制,精準測定了其力學性能和力—電耦合特性,并提出固態電池中抑制鋰枝晶生長的可行性方案。

鋰離子二次電池以其高能量密度已在便攜式電子設備領域得到了廣泛應用,但是依然不能滿足電動汽車和電網等大容量儲能裝置對高能量密度的需求。金屬鋰具有高比容量(3860 mAh g?1)和低電化學勢(?3.04 V相對于標準氫電極),是理想的高能量密度負極材料。以金屬鋰為負極的固態電池被認為是高能量密度、高安全性可充放儲能裝置未來的發展方向。但研發金屬鋰電池極具挑戰,雖然歷時多年,以金屬鋰為負極的高能量密度可充放電池仍未實現商業化,其中最主要原因是在循環過程中的不可控鋰枝晶(一種樹狀晶體,其針狀突起稱為晶須)生長,當鋰枝晶生長到一定程度時可穿透固態電解質,使電池短路失效;此外,如果鋰枝晶發生纏繞或斷裂,就會形成“死鋰”,造成電池容量嚴重衰減,因此鋰枝晶的生長是阻礙金屬鋰電池應用的最大障礙。

諸多研究致力于探索如何抑制鋰枝晶的產生,但是以往研究主要停留在宏觀尺度,鋰枝晶生長的微觀機理、力學性能、刺穿固態電解質的機制及抑制其生長的科學依據都不清楚。

AFM-ETEM納米電化學測試平臺,可實現原位觀測納米固態電池中鋰枝晶生長機制及其力學性能和力-電耦合精準定量測量

研究者們將原子力顯微鏡(AFM)和環境透射電子顯微鏡(ETEM)相結合,實現原位納米尺度鋰枝晶生長及其力學性能、力-電耦合精準測定。發現鋰枝晶生長過程中可產生的應力高達130 MPa,通過原位壓縮實驗發現鋰枝晶屈服強度高達244 MPa,這一數值遠高于宏觀金屬鋰的屈服強度(~1 MPa)。

該論文的創新之處在于:(1)發明了一種基于原子力顯微鏡—環境透射電鏡(AFM-ETEM)原位電化學測試平臺。AFM一方面作為生長鋰枝晶的電極,另一方面對鋰枝晶生長過程中產生一個約束力,還可同時實時監測生長應力大小。該平臺可廣泛應用于研究鈉、鉀、鎂、鈣等電池體系中枝晶生長的力學以及力-電耦合問題。(2)建立起了一種有效的研究鋰枝晶的動態原位實驗表征新技術,確定了電化學驅動和非電化學驅動下微納尺度鋰枝晶的力學性能,提出了一種基于固態電解質的結構缺陷、力學性能與鋰枝晶力學性能適配關系實現抑制鋰枝晶生長的可行性方案。(3)巧妙利用ETEM技術,通過在ETEM中通入CO2,在Li金屬表面原位生長出納米尺度的Li2CO3固態電解質(SEI)保護層。正是這一層超薄的Li2CO3 SEI保護層顯著地提高了超活潑鋰金屬在透射電鏡中的穩定性,防止其受到電子束損傷,從而實現了在室溫條件下亞微米級鋰枝晶生長過程的原位成像、力學性能以及力-電耦合測量。

該研究顛覆了研究者對鋰枝晶力學性能的傳統認知,為抑制全固態電池中鋰枝晶生長提供了新的定量基準,為設計具有高容量長壽命的金屬鋰固態電池提供了科學依據。該研究成果將助力固態電池在電動汽車、大型儲能和便攜電子器件等領域應用研發。

燕山大學為論文第一單位,張利強博士和楊婷婷博士研究生為論文的共同第一作者。該工作得到國家基金委和科技部的大力支持。(編輯 蔡常山)

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