“眼见为真”，浙工小大李永开/朱艺涵宣告跨尺度电子隐微可视化锂枝晶“齐貌”的综述论文 – 质料牛

发布时间：2024-09-29 08:18:58 来源： 作者：

第一做者：李永开

通讯做者：朱艺涵

通讯单元：浙江财富小大教

【钻研布景】

退役条件下，液态战固态锂电池皆市睁开锂枝晶，浙工枝晶那会导致电池电极战电解量界里的小大宣告不晃动，事实下场导致电池功能快捷衰减导致可能激发牢靠问题下场。李永料牛真现睁开枝晶动态形貌演化耦开簿本尺度挨算组分的开朱跨尺可视成像是正在连绝介量上认知睁开锂枝晶“齐貌”的条件，进而对于清晰其形核扩大机理具备尾要意思。艺涵隐微“工欲擅其事，度电的综必先利其器”，化锂先进的齐貌电子隐微镜足艺果其下空间、时候、述论能量分讲的文质下风正在钻研锂枝晶形貌挨算组分圆里饰演着至关尾要的足色，特意是眼见为真簿天职讲透射电子隐微镜(TEM)战介不美不雅尺度扫描电子隐微镜(SEM)是对于锂枝晶的成核、开展战扩大历程妨碍耦分解像的浙工枝晶幻念抉择，以此真现辅助钻研者更周齐天体味锂枝晶从簿本到器件尺度上的小大宣告睁开动做，为锂电池的李永料牛设念斥天战功能提降提供至关尾要可视化科教凭证。

【文章简介】

远日，浙江财富小大教朱艺涵/李永开课题组，正在国内Top期刊Advanced Functional Materials上宣告题为“Visualizing Structure, Growth, and Dynamics of Li Dendrite in Batteries: From Atomic to Device Scales”的综述文章。本综述起尾形貌了对于锂枝晶形核睁开相闭的热力教战能源教实际机制的清晰。而后总结了比去多少年景少的跨尺度本位足艺正在固液情景下的动态枝晶挨算演酿成像的操做；随后商讨了有利热冻透射电子隐微足艺掀收中正在成份（电流稀度、电解液、温度等）对于SEI战体相枝晶簿天职讲挨算的影响纪律；并进一步总结了热冻单束足艺战透射电镜足艺正在枝晶睁开三维形貌可视化的钻研远况。最后展看了电镜足艺正在锂枝晶钻研中的将去去世少趋向战钻研格式劣化，为设念更牢靠、更下效的锂电池提供尾要的科教指面。

【内容简述】

锂枝晶的组成是限度锂离子电池潜在操做的一个宽峻问题下场。之后新兴的齐固态电池尽管回支了坚贞的固态电解量，但仍出法残缺实用天停止锂枝晶的开展战渗透。因此，咱们需供深入钻研锂电极充放电历程中的能源教战热力教机制，战锂枝晶的组成条件战影响成份，才气周齐清晰锂枝晶的底子睁开机制。锂枝晶的组成受到部份电化教战机械耦开效应的影响，导致其睁开模式颇为重大。因此，斥天战操做先进的真空间可视化足艺去掀收锂枝晶的动态睁开动做至关尾要。先进的电子隐微镜足艺具备卓越的空间战时候分讲率，可能真现对于锂枝晶动态战动态睁开历程的本位不雅审核。正在那篇综述中，咱们夸大了电子隐微镜足艺正在锂枝晶钻研中的尾要性，收罗本位扫描电子隐微镜(SEM)、本位透射电子隐微镜(TEM)战热冻电子隐微镜(Cryo-EM)，那些足艺涵盖了从簿本尺度到器件尺度的跨尺度钻研(图1)。本位SEM提供了广漠广漠豪爽的视家，可能约莫正在器件尺度上不雅审核枝晶/裂纹交互中间战电极上锂枝晶的群散战剥离。与此比照，本位TEM具备更下空间分讲率，可能约莫钻研锂枝晶动态成核开展战微裂纹去世少等纳米尺度挨算疑息。热冻电镜足艺可能通过高温真现对于电子束敏感样品的有利簿天职讲率表征。操做Cryo-TEM可能明白天可视化锂枝晶概况战体相的簿本挨算。

图1.固态战液态锂电池中锂枝晶睁开机制的跨尺度电子隐微教钻研

本综述起尾深入商讨了锂枝晶能源教战热力教圆里的睁开实际。锂枝晶的睁开受种种成份的影响，收罗电流稀度、离子迁移率、电场扩散战温度。由于锂枝晶的睁开机制颇为重大，实际合计战模拟被普遍操做于形貌那些枝晶的形核战睁开的闭头模子。其中从热力教角度阐收了枝晶睁开的根基驱能源，收罗逍遥能的修正战凶布斯-汤姆森效应的影响(图2)。而能源教角度则讲明了枝晶睁开的反映反映蹊径战陪同时候的演化(图3)。文章同时摆列论讲了枝晶睁开相闭的实际公式，为锂枝晶睁开机制的魔难魔难钻研提供了有价钱的不雅见识。

图2.锂群散动做热力教阐收

图3.锂群散动做能源教阐收

锂群散历程的可视化魔难魔难为验证战处置以上实际阐收不雅见识提供了直接的证据。可视化表征对于竖坐锂枝晶的微不美不雅挨算与其正在不开情景条件下的电化教功能之间的综开分割关连起着至关尾要的熏染感动。综述对于为钻研锂枝晶动做而斥天的最新本位电子隐微镜仄台妨碍了系统性概述（图4）。

图4.本位钻研锂枝晶睁开动态动做的器件拆配图

分说介绍了钻研液态电池战固态电池中锂枝晶动态睁开动做的最新足艺战拆配。与之对于应去世少了对于应的液相战固相本位电子隐微镜足艺：操做液相电解池扫描电子隐微镜钻研液态锂电池中枝晶的动态电化教反映反映群散剥离历程，操做液相池本位透射电镜钻研枝晶节目形核睁开不雅审核；操做固态本位扫描电镜足艺，收罗去世少的偏偏压、齐固态电池、应力等格式足艺钻研固态电池中界里群散形貌，正背极脱刺战应力调控枝晶睁开等动做；操做固态本位透射电镜足艺，收罗情景空气，偏偏压，电子束迷惑等格式真现枝晶的动态形核睁开不雅审核（图5-11）。

图5.本位液态电化教扫描电镜钻研增减剂对于锂的动态群散战剥离动做的影响

图6.本位液相透射电镜下不雅审核锂晶须的不睁开开动做

图7. 偏偏压迷惑锂枝晶睁开动做的本位扫描电子隐微镜钻研

图8.齐固态电池锂枝晶的本位扫描电镜钻研

图9.本位透射电镜钻研固态电池中锂晶须逍遥开展战调节睁开的动态历程

图10.本位透射电镜钻研固态电解量中锂枝晶的睁开动做

图11. 本位透射电镜钻研锂群散历程中的化教-力教耦开动做

电群散的锂枝晶根基上是由锂基底战小于10 nm的SEI拆穿困绕膜组成的，它们正在群散战剥离的动态历程中是相互熏染感动的，对于电化教功能有很小大影响。可是，经暂以去，它们部份的邃稀挨算疑息一背不为人所知，导致出法经由历程电子隐微镜妨碍表征。后者回果于锂金属正在室温下受到电子束映射时的下化教反映反映活性战低晃动性。Cryo-TEM经由历程解冻样品去捉拿其簿本挨算，从而为钻研锂电池中的锂枝晶提供了强盛大的工具。可是，那类足艺仅限于两维挨算疑息。为了更周齐地清晰，3D Cryo-EM提供了赫然的下风。钻研者们经由历程去世少Cryo-(s)TEM战Cryo-FIB重构足艺，可能真现有利不雅审核敏感样品的簿本尺度挨算战三维形貌疑息（图12），以是热冻电镜足艺正在锂电池钻研中发挥着尾要熏染感动。因此做者回纳了热冻电镜正在电池钻研圆里的最新钻研，介绍了热冻透射电镜对于群散锂枝晶的邃稀挨算有利表征，战3D热冻电镜足艺正在锂枝晶三维重构中的操做仄息（图13-15）。

图12. 跨尺度、多维度有利热冻电镜足艺掀收锂枝晶形貌挨算。a)簿本尺度TEM表征，b)纳米尺度STEM三维重组成像，c)介不美不雅尺度的FIB/SEM三维重组成像。

图13.不开电解量中组成的锂枝晶形态、簿本尺度挨算战吸应的SEI成份示诡计

图14.a)单晶锂，b）锂晶体中LiH部份，战c）不开条件下的非晶态锂的外部群散的形貌、簿本挨算。

图15.操做热冻电镜对于锂枝晶妨碍三维重组成像

【总结与展看】

综上所述，锂枝晶正在正背极之间的睁开扩大是导致液态战固态锂电池掉踪效的闭头成份。为体味决那一问题下场，咱们操做先进的电子隐微镜足艺钻研了锂枝晶的睁开机制。本文综述经由历程总结先进电子隐微镜足艺对于不开情景条件下锂枝晶的钻研，正在簿本到器件尺度掀收了对于睁开锂枝晶的清晰。尽管先进电子隐微镜足艺正在清晰锂枝晶的睁开机制圆里患上到了尾要钻研仄息，但该规模依然存正在一些需供处置的挑战。

起尾，将簿本尺度的透射电子隐微镜与器件尺度的FIB-SEM断层扫描足艺相散漫至关尾要。那一综着格式将有助于周部份会锂枝晶正在电池中的三维挨算战扩大动做。

其次，斥天散温度、机械战电化教场为一体的先进本位配置装备部署是必不成少的。那些配置装备部署的目的理当是模拟齐固态电池的真践运行条件，以便更细确天钻研那些条件下锂枝晶的睁开。

第三，为了深入钻研部份锂枝晶，需供一种有利表征的足艺路线，涵盖从样品准备到事实下场表征的残缺法式圭表尺度，以确保将情景修正战束流益伤降至最低或者消除了。

最后，针对于电子束/离子束敏感的锂枝晶等电池质料，操做新型相衬透射电子隐微镜格式，如低剂量透射电子隐微镜、积分好分相位成像(IDPC-STEM)战4D-STEM成像，为锂枝晶及其衍去世物的有利簿本尺度成像提醉了明光的远景。那些尖端足艺提供了分庭抗礼的空间分讲率，将极小大天增长咱们对于锂枝晶动做的清晰，并事实下场有助于斥天更牢靠、更下效的电池足艺。

Yonghe Li, Hui Xu, Qiaoru Ning, Shiting Li, jing Wang, jiexin Wang, Zhongting Hu, jinshu Tian, Xiaonian LiYu Han, Yihan Zhu, Visualizing Structure, Growth, and Dynamics of Li Dendrite in Batteries: From Atomic to Device Scales. Adv. Funct. Mater. 2024. 2401361. https://doi.org/10.1002/adfm.202401361 

尾要做者疑息：

李永开，德国洪堡教者，专士去世导师。2018年1月专士结业于北京财富小大教固体微挨算与功能钻研所。随后正在德国卡我斯鲁厄理工教院 （KIT）电子隐微钻研室处置专士后工做，现任职于浙江财富小大教电子隐微镜中间/化工教院。尾要处置去世少跨尺度电子隐微格式战足艺掀收能源电池催化的掉踪效/掉踪活机理。古晨主持肩负国家做作科教基金青年名目、科技部重面研收子使命、浙江省做作科教基金，省手下校根基科研歇业费等多项省部级课题。相闭钻研工做宣告正在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等尾要期刊论文30余篇，撰写专著章节一篇。

韩宇，教育部少江教者讲座教授，专士去世导师。2003年专士结业于正在凶林小大教，随后新减坡A-Star，沙特阿卜杜推国王科技小大教做科研工做。2023年9月，任华北理工小大教电子隐微中间主任。古晨尾要处置多孔质料的分解与操做（催化、分足、水处置），战电子束敏感质料的下分讲电子隐微成像圆里的钻研，是超低剂量电子隐微成像足艺的散漫收现人。宣告教术论文400余篇，其中收罗声誉期刊如Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、Nature Materials等，总援用次数逾越40,000，H-index小大于100。2021年患上到德国洪堡钻研奖，2019-2023连绝5年科睿唯安（Clarivate Analytics）下引教者。

朱艺涵，国家级青年强人，教授。2010年专士结业于浙江小大修养教系，随后减进阿卜杜推国王科技小大教启当钻研科教家。2017年进职浙江财富小大修养工教院。进选国家海中引才用意，省科协青年英才用意及下校收军人才哺育用意，先后主持国家劣秀青年科教基金、里上基金等4项，省细采青年科教基金1项，肩负国家重面研收用意重面专项课题1项。尾要处置止进电子隐微格式教去世少战物量科教操做，相闭功能正在Science及其子刊、Nature子刊等声誉期刊宣告论文140余篇，援用次数17000余次，H指数63；主编图书分册1部、撰写图书章节4章；现任浙江省份测协会理事、电镜与微挨算青委会副主任、财富催化同盟青委会委员。获国内催化协会青年科教家奖、好国隐微教会主席教者奖、中国质料与真验总体尺度贡献奖等。

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