研究背景
随着能源需求的不断增长和可再生能源的迅速发展，固态电池作为一种新兴的电池技术引起了广泛关注。固态电池相较于传统液态电池，具有更高的能量密度、更安全的运行特性和更长的使用寿命，因而被认为是未来电动汽车和储能设备的理想选择。固态电池的关键概念在于固体电解质的使用，它能够在电池内部提供离子导电性，而不涉及易燃的液体电解质。然而，目前固态电池仍面临着几个重要问题，主要包括电解质与电极材料的界面不稳定性、离子导电性不足以及在电沉积过程中金属锂和钠的生长形态不理想等。为了解决上述问题，吉森大学Jürgen Janek、Till Fuchs等人携手在Nature Materials期刊上发表了题为“Imaging the microstructure of lithium and sodium metal in anode-free solid-state batteries using electron backscatter diffraction”的最新论文。本研究旨在解决电沉积过程中电极微观结构演变和界面稳定性的问题。通过系统地研究不同的电池配置及其热处理历史，分析锂和钠的电极沉积与溶解行为，作者利用FIB和EBSD等技术对电极表面和界面进行高分辨率的微观结构分析。研究结果表明，优化的沉积条件能够有效改善锂和钠的沉积形态，减小枝晶生长的倾向，从而提高固态电池的循环性能。此外，通过对电极的微观结构演变进行实时监测，作者揭示了电解质与电极材料之间的相互作用机制，为固态电池的进一步优化提供了理论基础和实验支持。
研究亮点
1. 实验首次在不同电池配置中进行锂和钠的电沉积，包括Cu|LLZO|Li、SS|LPSCl|Li和Al|NZSP|Na，成功制备出高质量的电极材料。2. 实验通过在高温下热压铜箔及在精确控制的压力和温度条件下进行电沉积，获得了均匀的锂和钠沉积层，显示出优异的电化学性能。3. 使用FIB和EBSD技术对电极结构进行了深入分析，揭示了沉积过程中的微观结构演变，特别是柱状微结构的形成机制，为理解电极材料的性能提供了重要数据。 4. 实验还显示，在不同的电池材料界面（CC|SE）上，锂和钠的电沉积与溶解过程中微观结构的变化直接影响了电池的循环性能和稳定性。5. 通过原位观察和后期处理，进一步验证了电极在电化学反应中的相变和界面动力学，为未来的电池设计提供了理论基础。
图文解读
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
本文的研究通过使用不同的电池配置和先进的表征技术（如EBSD和FIB），研究揭示了在固态电池中，电极与固体电解质界面的微观结构对电池性能的重要影响。尤其是在电沉积和溶解过程中，观察到的柱状微结构不仅与电极材料的电化学行为相关，也与热处理历史密切相关。这表明，优化电极材料的微观结构可以显著提高电池的循环稳定性和导电性。此外，采用原位测量技术，如EBSD，能够实时监测电极的微观演变，为理解电池材料的失效机制提供了新视角。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
