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工程与材料科学部

    我国学者在探索锂枝晶生长机理研究方面取得新进展

    日期 2020-04-15   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军 邓意达  【 】   【打印】   【关闭

    图. AFM-ETEM纳米电化学测试平台,可实现原位观测固态电池中纳米锂枝晶生长及其力学性能、力-电耦合的定量测量

      在国家自然科学基金项目(批准号:51971245、51772262)等的资助下,燕山大学黄建宇、唐永福团队联合中国石油大学(北京)张利强、美国佐治亚理工学院朱廷和宾夕法尼亚大学张宿林等将原子力显微镜(AFM)和环境透射电子显微镜(ETEM)相结合,原位观察到纳米尺度锂枝晶的生长,实现了其力学性能的精准测定。研究成果以“利用原子力显微技术结合环境透射电镜技术原位研究锂枝晶的生长及应力产生(Lithium whiskers growth and stress generation in an in situ atomic force microscope-environmental transmission electron microscope setup)”为题,于2020年1月6日在《自然•纳米技术》(Nature Nanotechnology)上在线发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-019-0604-x。

      金属锂具有高比容量(3860 mAh g‒1)和低电化学势(-3.04 V相对于标准氢电极),是理想的高能量密度负极材料。以金属锂为负极的固态电池被认为是高能量密度、高安全性可充放储能装置,是未来的发展方向。然而,多年来这种储能装置仍未实现商业化。其中最主要原因是在循环过程中锂枝晶的不可控生长,即当锂枝晶生长到一定程度时可穿透固态电解质,使电池短路失效。此外,锂枝晶发生缠绕或断裂形成的“死锂”可造成电池容量严重衰减。目前诸多研究从宏观尺度探索如何抑制锂枝晶的产生,然而锂枝晶生长的微观机理、力学性能及抑制其生长的科学依据仍不甚清楚。

      该团队利用原子力显微镜—环境透射电镜(AFM-ETEM)原位电化学测试平台,建立了一种有效的研究锂枝晶的动态原位的实验表征技术,发现了锂枝晶生长过程中可产生的应力高达130 MPa。通过原位压缩实验发现,锂枝晶屈服强度高达244 MPa,这一数值远高于宏观金属锂的屈服强度(~1 MPa)。该研究同时测定了在电化学驱动和非电化学驱动下,锂枝晶的微纳尺度力学性能,并提出基于固态电解质的结构缺陷、力学性能与锂枝晶力学性能适配关系,从而实现抑制锂枝晶生长的可行性方案。

      该研究平台可广泛应用于研究钠、钾、镁、钙等电池体系中枝晶生长以及力学性能评估。研究成果为抑制全固态电池中锂枝晶生长提供了科学依据,将助力于固态电池在电动汽车、大型储能和便携式电子器件等领域的应用研发。