Small Structures:通过透射电子显微镜原位监测锂金属负极及其固体电解质界面

长期以来,锂金属负极以其高理论容量和最负的电极电位,一直被视为电极材料的终极选择。因此,可充电锂金属电池受到了广泛研究。然而,充放电循环时会锂金属表面会形成的枝状锂金属可能导致电池短路,因而其商业化进程受到了阻碍。对于锂金属负极,需要控制充电过程中电化学沉积的锂金属的形态,抑制住锂金属的“火爆脾气”,便有望制造出具有极高能量密度的可充电电池。

随着分析技术的进步,越来越多的研究者认为,沉积在锂金属表面的稳定固态电解质界面(SEI)不仅能够抑制锂枝晶的生长,且其物理、化学性质会影响锂离子穿过界面的动力学,由此影响电池性能。然而,由于SEI与Li对水和空气都非常敏感,非原位分析技术难以阐明电化学循环过程中SEI的形成机制、化学组成和形态。透射电子显微镜(TEM)可以通过成像、衍射和光谱方法来表征结构和化学成分,是一种高效、先进的原位表征工具。但对于SEI层的研究,观测窗的氮化硅膜引起的低图像分辨率和液体散射导致的对比度损失使TEM表征难以获得令人满意的结果。

针对上述挑战,日本大阪大学应用化学系Susumu KuwabataTetsuya Tsuda等设计了一种无窗TEM支架,避免了氮化硅观测窗的干扰,实现了对锂沉积物和SEI层的实时监测以及准确的电子衍射分析。

本工作中,研究者利用特殊的TEM支架为三电极提供了平台和足够的空间,从而能够更好地模拟电池的实际工作条件,获得更高分辨率的图像和更大的视野。在-4.25 V的恒定电压下,作者观察到了三种不同类型的锂沉积物:其中纤维形态与扫描电镜下观察到的锂枝晶典型形貌非常相似。同时,利用原位TEM还观察到了沉积的锂表面覆盖有10~30 nm厚的SEI层。此外,作者结合了选区电子衍射(SAED)来解释单个锂沉积物的晶体学特征。结果表明,富含LiF 和 Li3N 的 SEI 可以有效地抑制锂枝晶生长。该发现将有助于实现采用LMA的下一代高密度电池。

本文也呈现在当期的内封面上:

论文信息:

In Situ Monitoring of Lithium Metal Anodes and Their Solid Electrolyte Interphases by Transmission Electron Microscopy

Chih-Yao Chen, Tetsuya Tsuda*, Yoshifumi Oshima, Susumu Kuwabata*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100018

原文链接:onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100018