浙工大朱艺涵/李永合团队AFM综述：跨尺度电子显微可视化锂枝晶“全貌”
ZHEJIANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
2024
服役条件下液态和固态锂电池都会生长锂枝晶导致电池性能快速衰减甚至可能引发安全问题。实现生长枝晶动态形貌演变耦合原子尺度结构组分的成像是在连续介质上认知锂枝晶“全貌”的前提，进而对深刻理解其形核扩展机理具有重要意义(图1）。“工欲善其事，必先利其器”，先进的电子显微镜技术因其高空间、时间、能量分辨的优势在研究锂枝晶形貌结构组分方面扮演着至关重要的角色，特别是原子分辨透射电子显微镜(TEM)和介观尺度扫描电子显微镜(SEM)是对锂枝晶的成核、生长和扩展过程进行耦合成像的理想选择，以此实现帮助研究者更全面地了解锂枝晶从原子到器件尺度上的生长行为，为锂电池的设计开发和性能提升提供至关重要可视化科学依据。
以此，浙江工业大学化学工程学院/电子显微镜中心朱艺涵/李永合团队联合华南理工大学韩宇教授团队，在国际Top期刊Advanced Functional Materials上发表综述文章。
图1.固态和液态锂电池中
锂枝晶穿刺机制的跨尺度电子显微学研究
原位可视化显微表征平台和技术对于建立电化学循环下的锂枝晶的动态微观结构演变与电化学性能的构效关系具有重要作用。综述首先对为研究锂枝晶行为而开发的最新原位电子显微镜技术进行了系统性归纳概述（图2）。文章分别介绍了研究液态电池和固态电池中锂枝晶动态生长行为的最新技术和装置。与之对应发展了对应的液相和固相原位电子显微镜技术：利用液相电解池扫描电子显微镜研究液态锂电池中枝晶的动态电化学反应沉积剥离过程，利用液相池原位透射电镜实现枝晶形核生长观察；利用固态原位扫描电镜技术包括偏压、全固态电池、应力等方法技术研究固态电池中界面沉积形貌，正负极穿刺以及应力调控枝晶生长等行为；利用固态原位透射电镜技术包括环境气氛，偏压，电子束诱导等方法实现枝晶的动态形核生长观察。这些发展的原位方法对纳米到器件尺度研究电化学条件下的枝晶动态结构和形貌演变提供了技术支撑。
图2.原位研究锂枝晶
生长动态行为的器件装置图
为了进一步理解原子尺度枝晶结构，冷冻透射电镜可以通过冻结样品降低电子束损伤来实现原子分辨成像，从而为研究锂枝晶局域精细结构提供了强大的工具。然而，这种技术仅限于二维结构信息，而3D 冷冻电镜方法技术提供了理解其三维“全貌”的优势。研究者们通过发展冷冻透射电镜和冷冻聚焦离子束重构技术，可以实现敏感样品的无损原子结构和三维形貌信息（图3）。作者进一步归纳了冷冻电镜在枝晶电池研究方面的最新研究，介绍了冷冻透射电镜对表征沉积锂枝晶的体相和SEI结构组分，以及3D冷冻电镜技术在锂枝晶生长三维形貌可视化中的应用进展。
图3.多维度冷冻电镜技术
在锂枝晶无损结构形貌成像的研究应用
相关研究以“Visualizing Structure, Growth, and Dynamics of Li Dendrite in Batteries: From Atomic to Device Scales ”为题于2024年4月8日发表于Advanced Functional Materials期刊，浙江工业大学为第一单位，文章第一作者为浙江工业大学李永合副研究员，通讯作者为浙江工业大学朱艺涵教授和华南理工大学韩宇教授。相关工作得到了科技部重点研发项目（2022YFE0113800, 2022YFB3805401），国家自然科学基金青年项目（22205204），浙江省自然科学基金探索项目（LQ23E020007）以及省属高校基本科研业务费（RF-A2023002）的大力支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202401361
李永合
主要从事发展跨尺度电子显微方法和技术揭示能源电池催化的失效/失活机理，相关研究工作发表在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett.，Nano Energy等重要期刊论文30余篇，撰写专著章节一篇。目前主持承担国家自然科学基金青年项目、科技部重点研发子课题、浙江省自然科学基金探索项目，省属高校基本科研业务费等多项省部级课题。2022年入选浙江工业大学“十四五”高层次人才培育计划。
主要从事先进电子显微方法学发展和物质科学应用，相关成果在Science及其子刊、Nature子刊等权威期刊发表论文140余篇，引用次数17000余次，H指数63。先后主持国家优秀青年科学基金、面上基金等4项，省杰出青年科学基金1项，承担国家重点研发计划重点专项课题1项。现任浙江省分测协会理事、电镜与微结构青委会副主任、工业催化联盟青委会委员。获国际催化协会青年科学家奖、美国显微学会主席学者奖、中国材料与试验团体标准贡献奖等。
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来源 | 化工学院
排版 | 张赛萍
编辑 | 许维婷
审核 | 王剑斌 陈微微