锂枝晶生长机理获原位精准测定

原子力显微镜-电化学测试系统纳米电化学测试平台可以实现对纳米固体电池中锂枝晶生长机理的原位观察，以及对其力学性能和力-电耦合的精确定量测量。

1月6日，《自然·纳米技术》发表了燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室黄、沈同德教授与国内外科学家合作的研究论文。它被命名为“原位原子力微步-环境传输电子微步装置中的锂混合物生长和应力产生”结果实时直观地记录了锂枝晶生长的微观机理，准确测量了其力学性能和力电耦合特性，为抑制固态电池锂枝晶生长提出了可行的方案。

锂离子二次电池由于其高能量密度而被广泛应用于便携式电子设备中，但是它们仍然不能满足诸如电动车辆和电网的大容量能量存储设备对高能量密度的需求。锂金属具有高比容量(3860毫安-1)和低电化学电位(相对于标准氢电极为-3.04伏)，是一种理想的高能量密度负极材料。以锂金属为负极的固态电池被认为是未来高能量密度、高安全性可充电储能装置的发展方向。

然而，锂金属电池的发展极具挑战性。虽然用了许多年，但使用锂金属作为负极的高能量密度可充电电池尚未商业化。主要原因是在循环过程中不可控的锂枝晶(一种针状突起称为须晶的枝晶)生长，当锂枝晶生长到一定程度时，它们会渗透固体电解质，导致电池短路故障。如果锂枝晶缠绕或断裂，将形成“死锂”，导致电池容量严重衰减。因此，锂枝晶的生长是锂金属电池应用的最大障碍。

许多研究致力于探索如何抑制锂枝晶的生成，但以往的研究主要集中在宏观层面，对其微观机理、力学性能、穿透固体电解质的机理以及抑制锂枝晶生长的科学依据尚不清楚。

研究人员将原子力显微镜(AFM)和环境透射电子显微镜(ETEM)相结合，实现了原位纳米尺度锂枝晶生长、力学性能和力电耦合的精确测量。发现锂枝晶生长过程中产生的应力高达130兆帕。通过原位压缩实验，发现锂枝晶的屈服强度高达244兆帕，远远高于宏观金属锂的屈服强度(约1兆帕)。

据介绍，本研究有三个创新点。

一是基于原子力显微镜-环境透射电子显微镜(AFM-ETEM)发明原位电化学测试平台。一方面，原子力显微镜被用作生长锂枝晶的电极；另一方面，原子力显微镜在锂枝晶生长过程中产生约束力，并能同时实时监测生长应力。该平台可广泛用于研究钠、钾、镁、钙等电池系统中枝晶生长和力电耦合的机理。

二是建立一种有效的研究锂枝晶的新动态原位实验表征技术，测定微纳米尺度锂枝晶在电化学驱动和非电化学驱动下的力学性能，并基于固体电解质的结构缺陷、锂枝晶力学性能与力学性能的匹配关系，提出抑制锂枝晶生长的可行方案。

第三，巧妙地利用电化学测试技术，在锂金属表面原位生长纳米级的Li2CO3固体电解质保护层，并在电化学测试中引入CO2。正是这种超薄Li2CO3SEI保护层显著提高了超活性锂金属在透射电子显微镜中的稳定性，防止其被电子束损伤，从而实现了亚微米锂枝晶生长过程的原位成像、力学性能和力电耦合测量。

该研究颠覆了研究者对锂枝晶力学性能的传统认识，为抑制全固态电池中锂枝晶的生长提供了新的定量基准，为设计高容量、长寿命的金属锂固态电池提供了科学依据。研究结果将有助于固态电池在电动汽车、大规模储能和便携式电子设备领域的研究和开发。

燕山大学是论文的第一单元，张立强博士和杨婷婷博士是论文的合著者。