【新聞中心訊】近日，我校亞穩材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室黃建宇教授、沈同德教授與國內外科學(xué)家合作，在Nature Nanotechnology上發(fā)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(shí)時(shí)、直觀(guān)地記錄了鋰枝晶生長(cháng)的微觀(guān)機制，精準測定了其力學(xué)性能和力—電耦合特性，并提出固態(tài)電池中抑制鋰枝晶生長(cháng)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(lǐng)域得到了廣泛應用，但是依然不能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)等大容量?jì)δ苎b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(xué)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(tài)電池被認為是高能量密度、高安全性可充放儲能裝置未來(lái)的發(fā)展方向。但研發(fā)金屬鋰電池極具挑戰，雖然歷時(shí)多年，以金屬鋰為負極的高能量密度可充放電池仍未實(shí)現商業(yè)化，其中最主要原因是在循環(huán)過(guò)程中的不可控鋰枝晶(一種樹(shù)狀晶體，其針狀突起稱(chēng)為晶須)生長(cháng)，當鋰枝晶生長(cháng)到一定程度時(shí)可穿透固態(tài)電解質(zhì)，使電池短路失效；此外，如果鋰枝晶發(fā)生纏繞或斷裂，就會(huì )形成“死鋰”，造成電池容量嚴重衰減，因此鋰枝晶的生長(cháng)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(chǎn)生，但是以往研究主要停留在宏觀(guān)尺度，鋰枝晶生長(cháng)的微觀(guān)機理、力學(xué)性能、刺穿固態(tài)電解質(zhì)的機制及抑制其生長(cháng)的科學(xué)依據都不清楚。
AFM-ETEM納米電化學(xué)測試平臺，可實(shí)現原位觀(guān)測納米固態(tài)電池中鋰枝晶生長(cháng)機制及其力學(xué)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(huán)境透射電子顯微鏡（ETEM）相結合，實(shí)現原位納米尺度鋰枝晶生長(cháng)及其力學(xué)性能、力-電耦合精準測定。發(fā)現鋰枝晶生長(cháng)過(guò)程中可產(chǎn)生的應力高達130 MPa,通過(guò)原位壓縮實(shí)驗發(fā)現鋰枝晶屈服強度高達244 MPa，這一數值遠高于宏觀(guān)金屬鋰的屈服強度（~1 MPa）。
該論文的創(chuàng )新之處在于：（1）發(fā)明了一種基于原子力顯微鏡—環(huán)境透射電鏡（AFM-ETEM）原位電化學(xué)測試平臺。AFM一方面作為生長(cháng)鋰枝晶的電極，另一方面對鋰枝晶生長(cháng)過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)約束力，還可同時(shí)實(shí)時(shí)監測生長(cháng)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(cháng)的力學(xué)以及力-電耦合問(wèn)題。（2）建立起了一種有效的研究鋰枝晶的動(dòng)態(tài)原位實(shí)驗表征新技術(shù)，確定了電化學(xué)驅動(dòng)和非電化學(xué)驅動(dòng)下微納尺度鋰枝晶的力學(xué)性能，提出了一種基于固態(tài)電解質(zhì)的結構缺陷、力學(xué)性能與鋰枝晶力學(xué)性能適配關(guān)系實(shí)現抑制鋰枝晶生長(cháng)的可行性方案。（3）巧妙利用ETEM技術(shù)，通過(guò)在ETEM中通入CO2，在Li金屬表面原位生長(cháng)出納米尺度的Li2CO3固態(tài)電解質(zhì)（SEI）保護層。正是這一層超薄的Li2CO3 SEI保護層顯著(zhù)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(shí)現了在室溫條件下亞微米級鋰枝晶生長(cháng)過(guò)程的原位成像、力學(xué)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(xué)性能的傳統認知，為抑制全固態(tài)電池中鋰枝晶生長(cháng)提供了新的定量基準，為設計具有高容量長(cháng)壽命的金屬鋰固態(tài)電池提供了科學(xué)依據。該研究成果將助力固態(tài)電池在電動(dòng)汽車(chē)、大型儲能和便攜電子器件等領(lǐng)域應用研發(fā)。
燕山大學(xué)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）
