高效储能， 科学家探索新材料在电池中的应用潜力

【研究背景】

钠和锂金属是高能量密度电池的重要电极材料，因其应用于电动汽车、便携式电子设备等领域而备受关注。与传统的锂离子电池材料相比，这些金属具有更高的理论容量和更低的成本。然而，钠和锂的电极在充放电过程中容易出现枝晶生长，导致安全隐患和循环寿命问题，因此带来了电池设计和材料选择的挑战。

近日，来自吉森大学Till Fuchs、Jürgen Janek教授课题组在钠和锂电极的研究中取得了新进展。该团队通过优化电极沉积工艺，设计了新型的电池配置，包括Cu|LLZO|Li、SS|LPSCl|Li和Al|NZSP|Na等，以实现更均匀的电极结构和更高的电化学性能。他们采用了原位电场扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等技术，系统分析了电极沉积过程中的微观结构演变。研究表明，经过优化处理的钠和锂电极在循环过程中展现出显著的稳定性和高效的电导性，成功获取了更长的循环寿命和更好的倍率性能。

【表征解读】

本文通过高分辨率场发射扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等先进表征手段，发现了电极材料中铝和锂的沉积结构，揭示了其在电化学性能中的重要作用。针对铯金属在不同电化学环境下的微观结构演变现象，采用了原位EBSD技术，深入探讨了铝|锂|石榴石界面中的微观机理，得到了锂的电沉积与析出过程中的动态行为，从而挖掘了电极材料在循环过程中的相变特性。

在此基础上，通过聚焦离子束（FIB）和等离子体FIB等多种表征手段，结合电沉积和电解质的相互作用，结果表明，铝箔表面的碳层显著改善了锂的沉积均匀性，着重研究了电极材料在不同沉积条件下的微观结构变化。通过综合分析EBSD图谱，发现锂的沉积过程中出现了明显的柱状晶体结构，这一发现对于理解电极材料的导电性和循环稳定性具有重要意义。

【图文解读】

图1：新压制的碱金属箔的顶视SEM图像。

图2：具有不同热处理历史的碱金属箔的IPF图。

图3：使用FIB横截面和EBSD对不同CC|SE界面电沉积的锂和钠的微观结构分析。

图4：接触固态电解质时碱金属电极在电沉积和电溶解过程中微观结构演变的分析。

图5：在RFC中电化学沉积和溶解过程中所观察到的柱状微观结构的演变及其来源示意图。

【结论展望】

本文的研究揭示了电极材料在电化学沉积过程中的微观结构演变及其对性能的影响，尤其是在钠和锂金属电池中。通过对不同材料界面（如CC|SE）的深入分析，研究者们展示了电极沉积的形态与电池性能之间的紧密联系。采用先进的技术如FIB、EBSD等，提供了对微观结构的高分辨率观察，为理解电极材料在实际应用中的行为奠定了基础。这些成果不仅为新型固态电池的设计提供了理论支持，也为未来电极材料的优化提供了实验依据。值得注意的是，通过不同的电极配置和沉积条件，可以显著改善电池的循环稳定性和能量密度。总的来说，这项研究为开发更高效的电池系统提供了重要的启示，强调了微观结构调控在电化学性能优化中的关键作用，展现了多种电池材料在未来应用中的广泛潜力。

文献信息：Fuchs, T., Ortmann, T., Becker, J. et al. Imaging the microstructure of lithium and sodium metal in anode-free solid-state batteries using electron backscatter diffraction. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02006-8