Science｜同濟大學團隊，關于固態電池鋰金屬負極的疲勞研究

2025-05-07 09:15:13 213閱讀次數

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客戶成果

TESCAN X射線micro-CT助力同濟大學羅巍、陳波老師和華中科技大學黃云輝老師團隊，在國際頂尖學術期刊《科學》（Science）發表題為“Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries”（固態電池中鋰金屬負極的疲勞）的研究論文。

正文

文中研究使用了TESCAN UniTOM HR高分辨X射線micro-CT設備，通過高襯度和高分辨的三維X射線micro-CT表征，揭示了在電池循環的不同階段材料內部的孔隙分布，反映了界面孔隙體積變化，表明鋰金屬負極孔隙生長模式與金屬疲勞裂紋擴展高度相似，為該研究提供了有力證據。

背景介紹

近年來，隨著新能源汽車蓬勃發展，人們對動力電池的能量密度和安全性提出了更高的要求，鋰電池固態化被認為是提升電池安全和能量密度的革命性解決方案，由此固態鋰電池在全球范圍內引起學術界和產業界的廣泛關注。

固態鋰金屬電池（SSBs）結合了高容量的鋰金屬負極（LMA）、不可燃的無機固態電解質（SSE）和高電壓正極，已成為兼具高能量密度和高安全性的有前景的選擇。然而，在固態鋰電池運行過程中，因鋰枝晶生長引起的電池失效和安全隱患嚴重阻礙了其實際應用，亟需在充分掌握電池失效機制的基礎上，開發提升電池性能的新技術。該研究首次發現了固態鋰電池金屬鋰負極疲勞失效現象，揭示了疲勞失效新機制，并提出了抑制疲勞失效改善固態電池性能的新策略。

研究發現

該研究首次發現了固態鋰電池金屬鋰負極疲勞失效現象，揭示了疲勞失效新機制，并提出了抑制疲勞失效改善固態電池性能的新策略。

研究內容

理解固態鋰金屬電池失效的機制是科學界和工業界關注的核心問題。界面接觸不良被認為是固態鋰金屬電池失效的主要原因之一，因為界面處的孔隙會導致電流收縮和過電位上升，進而誘發鋰枝晶的形成。近期研究進一步提出，固態鋰金屬電池的失效與力學因素密切相關，因為無機固態電解質在應對體積變化和應力釋放方面遠不如液態電解質。鋰沉積過程中產生的大量應力可能會驅動無機固態電解質的裂紋擴展并誘發鋰枝晶形成。

由于石榴石型 Li?.?La?Zr?.?Ta?.?O??（LLZTO）對鋰金屬負極（LMA）表現出極高的穩定性，本研究選用其作為模型固態電解質（SSE）。在恒定壓力為0.025 MPa的條件下對對稱模具電池進行循環測試。EIS擬合結果顯示，循環50次后界面阻抗從19.4 Ω·cm2增加至169.6 Ω·cm2，反映出界面孔隙率的整體變化。該電池最終在第62次循環時發生短路。為了理解失效機制，研究結合使用了TESCAN UniTOM HR X射線micro-CT 設備對電池界面孔隙演化進行了高分辨三維結構表征（圖A，源自該文章）。圖 B 展示了從平行和垂直于電池軸線的平面提取的電池整體結構切片圖。根據圖像灰度的差異，我們將圖像分為三種組分，通常，密度越大的材料，其線性衰減系數越高，即更能有效散射和吸收X射線。基于該方法，我們根據灰度差異將電池內部劃分為LLZTO、LMA和孔隙（空氣）三部分。

由于固態電解質LLZTO非常高的密度（大約5.2 g/cm3），而鋰金屬負極LMA非常低的密度（大約0.534 g/cm3），而同時又要區分鋰金屬負極LMA中鋰金屬和孔隙，這給使用X射線micro-CT進行LLZTO-LMA界面區域微觀結構表征帶來了極大的挑戰，因為這需要在給鋰金屬/孔隙（空氣）之間提供高襯度的同時，解決LLZTO高密度（對低密度）偽影以及錐束偽影的問題。最終研究通過TESCAN UniTom HR設備進行，工作電壓設置為 60 kV、每次三維CT掃描共采集 1902 張投影圖像，圖像體素尺寸為 3 μm，最終實現了對LLZTO-LMA界面，特別是鋰金屬負極LMA中鋰金屬和孔隙的高質量三維結構成像。