Nature Nanotech.:原位定量锂电中支晶生长应力,揭示为何锂枝晶能穿过固态电解质


发布时间:

2023-12-14

利用PicoFemto®原位样品杆发表的研究成果持续更新中,未来小编还将不断更新产品应用案例。错过之前报道的老师们也可以在公众号首页点击"往期文章"阅读。也欢迎大家关注公众号,这里有电子显微镜领域的前沿资讯、特别的实验方案和高水平研究成果,快来和小伙伴们一起开脑洞吧。

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锂金属因其较高的比容量(约为3860mAh/g)获得了产业界和学术界的关注,是新一代电池的理想负极材料之一。由于锂金属较强的化学活性,锂金属作为电极时,其容易和电解液发生副反应,形成锂"枝晶",使电池库伦效率和循环寿命大幅度降低。此外,不可控的锂"枝晶"会穿破隔膜,造成电池内部短路,从而导致电池失效。使用机械刚性的固态电解质来抑制锂枝晶生长,获得了许多科研人员的关注。然而,锂金属仍然可以穿透固态电解质,解决这个问题需要对锂枝晶的生长及相关的力学行为有一个基本的了解。

为此,燕山大学唐永福副教授、乔治亚理工学院朱廷教授、宾夕法尼亚州立大学Sulin Zhang教授以及燕山大学/湘潭大学黄建宇教授等人巧妙的利用泽攸科技(ZepTools)推出的PicoFemto®原位力电一体样品杆,对锂晶须形貌进行了原位生长观察,并对其进行了应力测量。相关研究成果以《Lithium whisker growth and stress generation in an in situatomic force microscope-environmental transmission electron microscope set-up》为题发表在权威国际期刊《Nature nanotechnology》上。(2019年IF=33.407)该文章中张利强博士和杨婷婷博士研究生为论文的共同一作者。

原文:https://doi.org/10.1038/s41565-019-0604-x

研究人员发现在室温下,当对AFM针尖施加电压(过电位)时亚微米晶须开始生长,这个生长过程中的生长应力高达130 MPa,这个值大大高于先前报道。此外,他们也发现Li晶须在纯机械载荷作用下的屈服强度可达244Mpa。

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图:实验方法和实验环境的搭建

该实验利用PicoFemto®原位力电一体样品杆和FEIETEM结合搭建实验测试环境。其中,力电杆中AFM探针的悬臂梁弹性系数选择为0.1 – 40 N/m。作者通过电子束诱导碳沉积将碳纳米管焊接到AFM探针的尖的位置。之后,一块锂金属在手套箱内被安装在原位力电样品杆的另一端。将样品杆密封在充满干氩的密封袋中,并转移到ETEM中。空气暴露的总时间小于2秒,从而限制了金属锂的氧化。样品的运动由PicoFemto®原位力电杆的三维操纵探针控制。当碳纳米管和锂金属连接时,为生长锂晶须提供了外部偏压(-2到-8v)。生长中的锂晶须向上推动原子力显微镜的尖的位置,从而允许实时测量锂晶须中产生的应力。具体地说,给定AFM悬臂梁的有效弹簧常数k,由Li晶须生长产生的力P由悬臂梁尖的位置的测量位移Δx通过P=kΔx计算得出。注意,由于悬臂梁的挠度(<5um)远小于其梁长(520um),因此可以合理地假设Δx和P。通过在原位TEM成像中测量晶须的直径并相应地测量晶须的截面积A,用SiG= P/A确定晶须中产生的轴向压缩应力,以准确测量横截面积A,我们旋转ETEM中的锂晶须以确定其横截面几何结构。在晶须生长过程中,用安培表记录晶须中的电流,安培表的读数约为1.2×10-10A(补充图28)。当晶须直径约为700 nm时,电流密度约为31 mA cm-2,与传统的锂离子电池相媲美。

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图2:锂晶须生长的原位AFM-ETEM成像以及在施加电压下同时测量锂晶须的应力变化。

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图:生长的锂晶须的原位压缩测试  

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图:文中报道的PicoFemto®原位力电一体样品杆

安徽泽攸科技有限公司是一家具有完全自主知识产权的科学仪器公司, 自20世纪90年代开始投入电镜及相关附件研发以来,研发团队一直致力于为纳米科学研究提供卓越的仪器。目前,公司有包括PicoFemto系列原位TEM测量系统原位SEM测量系统ZEM系列台式扫描电镜JS系列台阶仪纳米位移台二维材料转移台探针台及低温系统光栅尺等在类的多个产品线,在国内外均获得了高度关注,填补了国家在高端精密仪器领域的诸多空白。