【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】北京理工大學(xué)材料學(xué)院金海波教授和蘇岳鋒教授課題組首創(chuàng)設(shè)計(jì)制備熒光固態(tài)電解質(zhì)，利用激光共聚焦顯微鏡(CLSM)對(duì)循環(huán)后的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行光學(xué)切片，構(gòu)建三維模型，定量分析固態(tài)電解質(zhì)中的鈉枝晶含量。近日，相關(guān)研究結(jié)果以“Imaging dendrite growth in solid-state sodium batteries using fluorescence tomography technology”為題在國(guó)際知名期刊《Science Advances》(DOI: 10.1126/sciadv.adr0676)上發(fā)表。北京理工大學(xué)材料學(xué)院2022級(jí)博士生楊帥帥為第一作者，王成志預(yù)聘助理教授、陳來(lái)特聘研究員和金海波教授為論文共同通訊作者。
 

　　鈉枝晶的生長(zhǎng)和擴(kuò)展是固態(tài)鈉金屬電池性能衰退的主要原因之一，它不僅會(huì)引起電池內(nèi)部短路，還可能降低循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度。傳統(tǒng)的鈉枝晶檢測(cè)手段操作繁瑣、時(shí)間耗費(fèi)較長(zhǎng)，難以提供高精度和高效率的檢測(cè)結(jié)果。為了解決這一問(wèn)題，科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種熒光固態(tài)電解質(zhì)，并結(jié)合CLSM技術(shù)對(duì)固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行熒光切片，構(gòu)建鈉枝晶的三維模型，識(shí)別其分布情況。利用Avizo 3D軟件對(duì)重建的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行鈉枝晶提取和形貌分析，進(jìn)一步給出定量化結(jié)果(圖1)。
 

圖1. CLSM方法及其與其他材料觀測(cè)方法的比較。
 

圖2. 固態(tài)鈉電池中的鈉枝晶三維成像。
 

　　基于鈉枝晶熒光三維成像技術(shù)，能夠有效觀察固態(tài)鈉全電池在不同充放電循環(huán)下的鈉枝晶生長(zhǎng)過(guò)程。熒光斷層成像數(shù)據(jù)如圖2所示，分別在第一次、300次、600次和1100次充放電循環(huán)后進(jìn)行采集。圖2(A至H)展示了不同循環(huán)次數(shù)下固態(tài)電解質(zhì)的逐層熒光切片和三維重構(gòu)圖像，表明隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，鈉枝晶的數(shù)量逐漸增加，同時(shí)固態(tài)電解質(zhì)的紅色熒光強(qiáng)度顯著下降。具體而言，圖2(I至L)提取了鈉枝晶(或熒光消失區(qū)域)進(jìn)行定量分析。在第一次循環(huán)時(shí)，幾乎沒(méi)有熒光消失區(qū)域，體積比為0.039%，這些區(qū)域主要由固態(tài)電解質(zhì)的固有孔隙引起。經(jīng)過(guò)300次循環(huán)后，出現(xiàn)了體積比為1.063%的島狀鈉聚集體，表明在電解質(zhì)中形成了鈉枝晶，這是第300次循環(huán)后電池容量損失的主要原因。到了第600次循環(huán)時(shí)，鈉聚集體顯著擴(kuò)展，體積比達(dá)到4.456%；而在第1100次循環(huán)后，整個(gè)固態(tài)電解質(zhì)中形成了致密的鈉聚集體，臨界體積占比為5.349%，這可以解釋電池性能的下降。此項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了一種功能化的熒光固態(tài)電解質(zhì)，并提出了一種便捷的成像方法，能夠有效捕捉與固態(tài)鈉電池性能衰退機(jī)制相關(guān)的鈉金屬枝晶生長(zhǎng)過(guò)程。
 

　　論文詳情：Shuaishuai, Yang, Na Li, Enyue Zhao, Chengzhi Wang, Jingxin He, Xiong Xiao, Debao Fang, Qing Ni, Xile Han, Xiaobin Xue, Lai Chen, Ning Li, Jingbo Li, Tuan Guo, Yuefeng Su, Haibo Jin. Imaging dendrite growth in solid-state sodium batteries using fluorescence tomography technology, Science Advances, 10, 47 (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adr0676
 

　　附作者介紹：
 

　　楊帥帥，材料學(xué)院2022級(jí)博士生，導(dǎo)師為金海波教授，研究方向?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)材料及固態(tài)鈉電池，目前以第一作者在Science Advances、Energy Storage Materials、ACS Applied Energy Materials發(fā)表學(xué)術(shù)論文3篇。
 

　　王成志，預(yù)聘助理教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事固態(tài)鈉電池研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目。在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Science等期刊發(fā)表論文40余篇。
 

　　陳來(lái)，特聘研究員，主要從事鋰離子電池等電化學(xué)儲(chǔ)能材料與器件的研究，作為負(fù)責(zé)人先后主持和完成國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、國(guó)際合作研究項(xiàng)目及企業(yè)合作項(xiàng)目等。發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利50余項(xiàng)。
 

　　金海波，教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才，科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人，北京市課程思政教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，北京市教學(xué)名師。主要從事智能材料/能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化材料研究。作為負(fù)責(zé)人先后主持和完成863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部重大項(xiàng)目等科研項(xiàng)目。發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，SCI他引1萬(wàn)余次。