北京理工大學材料學院金海波教授和蘇岳鋒教授課題組首創設計制備熒光固態電解質，利用激光共聚焦顯微鏡(CLSM)對循環后的固態電解質進行光學切片，構建三維模型，定量分析固態電解質中的鈉枝晶含量。近日，相關研究結果以“Imaging dendrite growth in solid-state sodium batteries using fluorescence tomography technology”為題在國際知名期刊《Science Advances》(DOI: 10.1126/sciadv.adr0676)上發表。北京理工大學材料學院2022級博士生楊帥帥為第一作者，王成志預聘助理教授、陳來特聘研究員和金海波教授為論文共同通訊作者。
 

　　鈉枝晶的生長和擴展是固態鈉金屬電池性能衰退的主要原因之一，它不僅會引起電池內部短路，還可能降低循環穩定性和能量密度。傳統的鈉枝晶檢測手段操作繁瑣、時間耗費較長，難以提供高精度和高效率的檢測結果。為了解決這一問題，科研團隊開發了一種熒光固態電解質，并結合CLSM技術對固態電解質進行熒光切片，構建鈉枝晶的三維模型，識別其分布情況。利用Avizo 3D軟件對重建的三維結構進行鈉枝晶提取和形貌分析，進一步給出定量化結果(圖1)。
 

圖1. CLSM方法及其與其他材料觀測方法的比較。
 

圖2. 固態鈉電池中的鈉枝晶三維成像。
 

　　基于鈉枝晶熒光三維成像技術，能夠有效觀察固態鈉全電池在不同充放電循環下的鈉枝晶生長過程。熒光斷層成像數據如圖2所示，分別在第一次、300次、600次和1100次充放電循環后進行采集。圖2(A至H)展示了不同循環次數下固態電解質的逐層熒光切片和三維重構圖像，表明隨著充放電循環次數的增加，鈉枝晶的數量逐漸增加，同時固態電解質的紅色熒光強度顯著下降。具體而言，圖2(I至L)提取了鈉枝晶(或熒光消失區域)進行定量分析。在第一次循環時，幾乎沒有熒光消失區域，體積比為0.039%，這些區域主要由固態電解質的固有孔隙引起。經過300次循環后，出現了體積比為1.063%的島狀鈉聚集體，表明在電解質中形成了鈉枝晶，這是第300次循環后電池容量損失的主要原因。到了第600次循環時，鈉聚集體顯著擴展，體積比達到4.456%；而在第1100次循環后，整個固態電解質中形成了致密的鈉聚集體，臨界體積占比為5.349%，這可以解釋電池性能的下降。此項研究開發了一種功能化的熒光固態電解質，并提出了一種便捷的成像方法，能夠有效捕捉與固態鈉電池性能衰退機制相關的鈉金屬枝晶生長過程。
 

　　論文詳情：Shuaishuai, Yang, Na Li, Enyue Zhao, Chengzhi Wang, Jingxin He, Xiong Xiao, Debao Fang, Qing Ni, Xile Han, Xiaobin Xue, Lai Chen, Ning Li, Jingbo Li, Tuan Guo, Yuefeng Su, Haibo Jin. Imaging dendrite growth in solid-state sodium batteries using fluorescence tomography technology, Science Advances, 10, 47 (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adr0676
 

　　附作者介紹：
 

　　楊帥帥，材料學院2022級博士生，導師為金海波教授，研究方向為固態電解質材料及固態鈉電池，目前以第一作者在Science Advances、Energy Storage Materials、ACS Applied Energy Materials發表學術論文3篇。
 

　　王成志，預聘助理教授，碩士生導師。主要從事固態鈉電池研究，主持國家自然科學基金等科研項目。在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Science等期刊發表論文40余篇。
 

　　陳來，特聘研究員，主要從事鋰離子電池等電化學儲能材料與器件的研究，作為負責人先后主持和完成國家自然科學基金、國家自然科學基金青年基金、國際合作研究項目及企業合作項目等。發表學術論文50余篇，申請發明專利50余項。
 

　　金海波，教授，博士生導師，國家級領軍人才，科技部重點領域創新團隊帶頭人，北京市課程思政教學團隊負責人，北京市教學名師。主要從事智能材料/能量存儲與轉化材料研究。作為負責人先后主持和完成863計劃、國家自然科學基金、教育部重大項目等科研項目。發表學術論文100余篇，SCI他引1萬余次。