钠金属空气电池失效行为的原位透射电子显微学研究

关注

联系合作

成果单位：中国石油大学（北京）

合作方式：合作开发

所处阶段：概念

关键词：钠金属电池储能应用ETEM-AFM原位表征力学测试

成果评价

总得分（满分100）

资本强度（满分0）

该成果得分：0

小果解读

核心问题

钠金属空气电池（SMBs）作为高潜力储能体系，面临的主要挑战是Na枝晶的生长导致的电池短路问题，这严重阻碍了高性能SMBs的发展。尽管锂枝晶的研究已有广泛基础，但Na枝晶的生长和沉积机制仍缺乏深入的理解，特别是在纳米尺度上的电化学-力学响应。

解决方案

本研究通过原位透射电子显微镜（ETEM）与原子力显微镜（AFM）联用平台（ETEM-AFM），实时表征了Na枝晶的生长及其力学性能。研究发现，Na枝晶特征尺度为几百纳米，并展现出纳米棒、多面体纳米晶和纳米球等多种形貌。此外，原位力学测试揭示了表面覆盖Na2CO3层的Na枝晶抗压强度和抗拉强度显著增强（36~>203 MPa），远超块体钠枝晶。研究还表明，在过电位和机械约束的共同作用下，Na枝晶原位生长会在沉积Na中产生高应力。

竞争优势

本研究首次在纳米尺度上直接表征了SEI稳定的Na沉积生长和力学行为，为理解Na枝晶及其相关SEIs在循环过程中的电化学-力学响应提供了关键数据。这一突破性成果不仅加深了对固态锂电池中钠枝晶的认识，还为设计具有高容量、长寿命的金属钠电池提供了科学依据。该技术的创新性在于其原位、实时的表征方法，为SMBs的实际储能应用拓宽了道路，具有显著的竞争优势和广阔的应用前景。

成果描述

成果公开日期

20220713

所属产业领域

科学研究和技术服务业

转化意向范围

可国（境）内外转让

项目名称

北京市自然科学基金-面上项目

项目课题来源

北京市昌平区人民政府

摘要

钠金属电池（SMBs）作为锂金属电池（LMBs）的替代体系，由于其高比容量、丰富的钠储量和低成本，近年来引起了广泛关注。类似于锂枝晶，Na枝晶的生长会引起电池短路，因此大大阻碍了高性能SMBs的发展。近年来人们对锂枝晶的生长和沉积机理进行了广泛的研究，关于Na枝晶生长和沉积的研究还很少。仅有一些光学研究显示Na金属以根部生长机制在液态电解液中以枝晶状形式沉积。最近一些研究揭示了Na在全固态SMB中沉积或生长。Fincher等人在室温下通过整体压缩、显微硬度和纳米压痕试验系统地研究了钠的力学性能。研究表明，钠金属非常柔软，容易蠕变，并表现出明显的尺寸效应，这些结果为理解块体和微尺度钠的力学行为提供了重要依据。然而，由于制样困难，迄今为止，还没有对SEI稳定的纳米尺度Na沉积生长和力学行为的直接表征。这类表征对于理解Na枝晶及其相关的SEIs在循环过程中的电化学-力学响应，从而抑制Na枝晶生长、制备高性能SMBs是必不可少的。为解决上述问题，本人通过ETEM-AFM对Na枝晶生长及力学性能进行了实时表征测试，原位电化学沉积的Na表面稳定有一层薄的Na2CO3表面层，钠枝晶的特征尺度为几百纳米，并呈现出不同的形貌，包括纳米棒、多面体纳米晶和纳米球。原位力学测试结果表明，表面有Na2CO3层的Na枝晶的抗压强度和抗拉强度在36>203 MPa之间，远远大于块体钠枝晶，并发现在过电位和机械约束共同作用下，Na枝晶原位生长可在沉积Na中产生高应力。相关成果以“In Situ Observation of Sodium Dendrite Growth and Concurrent Mechanical Property Measurements Using an Environmental Transmission Electron Microscopy-Atomic Force Microscopy (ETEM-AFM) Platform”为题发表在ACS Energy Letters上。（1）实时观察到原位电化学沉积钠枝晶的特征尺度为几百纳米，并呈现出不同的形貌；（2）测试得到表面有Na2CO3层Na枝晶的抗压强度和抗拉强度在36>203 MPa之间，远远大于块体钠枝晶；（3）在过电位和机械约束共同作用下，Na枝晶原位生长可在沉积Na中产生高应力；（4）该研究为钠枝晶力学行为提供了基础数据，对钠金属电池向实际储能应用的发展具有重要意义。该成果进一步加深对固态锂电池中产生钠枝晶的认识，为设计具有高容量长寿命的金属钠电池提供科学依据，拓宽应用领域。