“眼见为实”，浙工大李永合/朱艺涵宣告跨尺度电子显微可视化锂枝晶“全貌”的综述论文 – 质料牛

第一作者：李永合

通讯作者：朱艺涵

通讯单元：浙江工业大学

【钻研布景】

退役条件下，液态以及固态锂电池都市妨碍锂枝晶，浙工朱艺综述质料这会导致电池电极以及电解质界面的大李电显不晃动，最终导致电池功能快捷衰减致使可能激发清静下场。永合实现妨碍枝晶动态形貌演化耦合原子尺度妄想组分的涵宣成像是在不断介质上认知妨碍锂枝晶“全貌”的条件，进而对于清晰其形核扩展机理具备紧张意思。告跨“工欲善其事，尺度必先利其器”，视化先进的锂枝论文电子显微镜技术因其地面央、光阴、晶全能量辨此外优势在钻研锂枝晶形貌妄想组分方面饰演着至关紧张的眼见为实脚色，特意是浙工朱艺综述质料原子分说透射电子显微镜(TEM)以及介不雅尺度扫描电子显微镜(SEM)是对于锂枝晶的成核、妨碍以及扩展历程妨碍耦分解像的大李电显事实抉择，以此实现辅助钻研者更周全地清晰锂枝晶从原子到器件尺度上的永合妨碍行动，为锂电池的涵宣妄想开拓以及功能提升提供至关紧张可视化迷信凭证。

【文章简介】

克日，浙江工业大学朱艺涵/李永合课题组，在国内Top期刊Advanced Functional Materials上宣告题为“Visualizing Structure, Growth, and Dynamics of Li Dendrite in Batteries: From Atomic to Device Scales”的综述文章。本综述首先形貌了对于锂枝晶形核妨碍相关的热力学以及能源学实际机制的清晰。而后总结了近些年睁开的跨尺度原位技术在固液情景下的动态枝晶妄想演化成像的运用；随后品评辩说了无损冷冻透射电子显微技术揭示外在因素（电流密度、电解液、温度等）对于SEI以及体相枝晶原子分说妄想的影响纪律；并进一步总结了冷冻双束技术以及透射电镜技术在枝晶妨碍三维形貌可视化的钻研现状。最后展望了电镜技术在锂枝晶钻研中的未来睁开趋向以及钻研措施优化，为妄想更清静、更高效的锂电池提供紧张的迷信教育。

【内容简述】

锂枝晶的组成是限度锂离子电池潜在运用的一个严正下场。之后新兴的全固态电池尽管接管了安定的固态电解质，但仍无奈残缺实用地克制锂枝晶的妨碍以及渗透。因此，咱们需要深入钻研锂电极充放电历程中的能源学以及热力学机制，以及锂枝晶的组成条件以及影响因素，能耐周全清晰锂枝晶的根基妨碍机制。锂枝晶的组成受到部份电化学以及机械耦合效应的影响，导致其妨碍方式颇为重大。因此，开拓以及运用先进的实空间可视化技术来揭示锂枝晶的动态妨碍行动至关紧张。先进的电子显微镜技术具备卓越的空间以及光阴分说率，可能实现对于锂枝晶动态以及动态生前途程的原位审核。在这篇综述中，咱们夸张了电子显微镜技术在锂枝晶钻研中的紧张性，搜罗原位扫描电子显微镜(SEM)、原位透射电子显微镜(TEM)以及冷冻电子显微镜(Cryo-EM)，这些技术涵盖了从原子尺度到器件尺度的跨尺度钻研(图1)。原位SEM提供了广漠的视线，可能在器件尺度上审核枝晶/裂纹交互摆布以及电极上锂枝晶的聚积以及剥离。与此比照，原位TEM具备更地面央分说率，可能钻研锂枝晶动态成核妨碍以及微裂纹睁开等纳米尺度妄想信息。冷冻电镜技术可能经由高温实现对于电子束敏感样品的无损原子分说率表征。运用Cryo-TEM可能清晰地可视化锂枝晶概况以及体相的原子妄想。

图1.固态以及液态锂电池中锂枝晶妨碍机制的跨尺度电子显微学钻研

本综述首先深入品评辩说了锂枝晶能源学以及热力学方面的妨碍实际。锂枝晶的妨碍受种种因素的影响，搜罗电流密度、离子迁移率、电场扩散以及温度。由于锂枝晶的妨碍机制极其重大，实际合计以及模拟被普遍运用于形貌这些枝晶的形核以及妨碍的关键模子。其中从热力学角度合成了枝晶妨碍的根基驱能源，搜罗逍遥能的变更以及吉布斯-汤姆森效应的影响(图2)。而能源学角度则讲明了枝晶妨碍的反映道路以及陪同光阴的演化(图3)。文章同时摆列论述了枝晶妨碍相关的实际公式，为锂枝晶妨碍机制的试验钻研提供了有价钱的见识。

图2.锂聚积行动热力学合成

图3.锂聚积行动能源学合成

锂聚积历程的可视化试验为验证以及处置以上实际合成意见提供了直接的证据。可视化表征对于建树锂枝晶的宏不雅妄想与其在差距情景条件下的电化学功能之间的综合分割关连起着至关紧张的熏染。综述对于为钻研锂枝晶行动而开拓的最新原位电子显微镜平台妨碍了零星性概述（图4）。

图4.原位钻研锂枝晶妨碍动态行动的器件装置图

分说介绍了钻研液态电池以及固态电池中锂枝晶动态妨碍行动的最新技术以及装置。与之对于应睁开了对于应的液相以及固相原位电子显微镜技术：运用液相电解池扫描电子显微镜钻研液态锂电池中枝晶的动态电化学反映聚积剥离历程，运用液相池原位透射电镜钻研枝晶节目形核妨碍审核；运用固态原位扫描电镜技术，搜罗睁开的偏压、全固态电池、应力等措施技术钻研固态电池中界面聚积形貌，正负极穿刺以及应力调控枝晶妨碍等行动；运用固态原位透射电镜技术，搜罗情景空气，偏压，电子束诱惑等措施实现枝晶的动态形核妨碍审核（图5-11）。

图5.原位液态电化学扫描电镜钻研削减剂对于锂的动态聚积以及剥离行动的影响

图6.原位液相透射电镜下审核锂晶须的差距妨碍行动

图7. 偏压诱惑锂枝晶妨碍行动的原位扫描电子显微镜钻研

图8.全固态电池锂枝晶的原位扫描电镜钻研

图9.原位透射电镜钻研固态电池中锂晶须逍遥妨碍以及调节妨碍的动态历程

图10.原位透射电镜钻研固态电解质中锂枝晶的妨碍行动

图11. 原位透射电镜钻研锂聚积历程中的化学-力学耦合行动

电聚积的锂枝晶根基上是由锂基底以及小于10 nm的SEI拆穿困绕膜组成的，它们在聚积以及剥离的动态历程中是相互熏染的，对于电化学功能有很大影响。可是，临时以来，它们部份的精粗妄想信息不断不为人所知，致使无奈经由电子显微镜妨碍表征。后者归因于锂金属在室温下受到电子束映射时的高化学反映活性以及低晃动性。Cryo-TEM经由解冻样品来捉拿其原子妄想，从而为钻研锂电池中的锂枝晶提供了强盛的工具。可是，这种技术仅限于二维妄想信息。为了更周全地清晰，3D Cryo-EM提供了清晰的优势。钻研者们经由睁开Cryo-(s)TEM以及Cryo-FIB重构技术，可能实现无损审核敏感样品的原子尺度妄想以及三维形貌信息（图12），以是冷冻电镜技术在锂电池钻研中发挥侧紧张熏染。因此作者演绎了冷冻电镜在电池钻研方面的最新钻研，介绍了冷冻透射电镜对于聚积锂枝晶的精粗妄想无损表征，以及3D冷冻电镜技术在锂枝晶三维重构中的运用妨碍（图13-15）。

图12. 跨尺度、多维度无损冷冻电镜技术揭示锂枝晶形貌妄想。a)原子尺度TEM表征，b)纳米尺度STEM三维重组成像，c)介不雅尺度的FIB/SEM三维重组成像。

图13.差距电解质中组成的锂枝晶形态、原子尺度妄想以及响应的SEI成份展现图

图14.a)单晶锂，b）锂晶体中LiH部份，以及c）差距条件下的非晶态锂的外部聚积的形貌、原子妄想。

图15.运用冷冻电镜对于锂枝晶妨碍三维重组成像

【总结与展望】

综上所述，锂枝晶在正负极之间的妨碍扩展是导致液态以及固态锂电池失效的关键因素。为了处置这一下场，咱们运用先进的电子显微镜技术钻研了锂枝晶的妨碍机制。本文综述经由总结先进电子显微镜技术对于差距情景条件下锂枝晶的钻研，在原子到器件尺度揭示了对于妨碍锂枝晶的清晰。尽管先进电子显微镜技术在清晰锂枝晶的妨碍机制方面取患了紧张钻研妨碍，但该规模依然存在一些需要处置的挑战。

首先，将原子尺度的透射电子显微镜与器件尺度的FIB-SEM断层扫描技术相散漫至关紧张。这一综合措施将有助于周全清晰锂枝晶在电池中的三维妄想以及扩展行动。

其次，开拓集温度、机械以及电化学场为一体的先进原位配置装备部署是必不可少的。这些配置装备部署的目的理当是模拟全固态电池的实际运行条件，以便更精确地钻研这些条件下锂枝晶的妨碍。

第三，为了深入钻研部份锂枝晶，需要一种无损表征的技术道路，涵盖从样品豫备到最终表征的所有步骤，以确保将情景变更以及束流伤害降至最低或者消除了。

最后，针对于电子束/离子束敏感的锂枝晶等电池质料，运用新型相衬透射电子显微镜措施，如低剂量透射电子显微镜、积分差分相位成像(IDPC-STEM)以及4D-STEM成像，为锂枝晶及其衍生物的无损原子尺度成像揭示了黝黑的远景。这些尖端技术提供了分庭抗礼的空间分说率，将极大地增长咱们对于锂枝晶行动的清晰，并最终有助于开拓更清静、更高效的电池技术。

Yonghe Li, Hui Xu, Qiaoru Ning, Shiting Li, jing Wang, jiexin Wang, Zhongting Hu, jinshu Tian, Xiaonian LiYu Han, Yihan Zhu, Visualizing Structure, Growth, and Dynamics of Li Dendrite in Batteries: From Atomic to Device Scales. Adv. Funct. Mater. 2024. 2401361. https://doi.org/10.1002/adfm.202401361 

主要作者信息：

李永合，德国洪堡学者，博士生导师。2018年1月博士结业于北京工业大学固体微妄想与功能钻研所。随后在德国卡尔斯鲁厄理工学院 （KIT）电子显微钻研室处置博士前使命，现任职于浙江工业大学电子显微镜中间/化工学院。主要处置睁开跨尺度电子显微措施以及技术揭示能源电池催化的失效/失活机理。当初主持担当国家做作迷信基金青年名目、科技部重点研发子使命、浙江省做作迷信基金，省属高校根基科研营业费等多项省部级课题。相关钻研使命宣告在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等紧张期刊论文30余篇，撰写专著章节一篇。

韩宇，教育部长江学者讲座教授，博士生导师。2003年博士结业于在吉林大学，随后新加坡A-Star，沙特阿卜杜拉国王科技大学做科研使命。2023年9月，任华南理工大学电子显微中间主任。目上主要处置多孔质料的分解与运用（催化、分说、水处置），以及电子束敏感质料的高分说电子显微成像方面的钻研，是超低剂量电子显微成像技术的散漫缔造人。宣告学术论文400余篇，其中搜罗威信期刊如Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、Nature Materials等，总援用次数逾越40,000，H-index大于100。2021年取患上德国洪堡钻研奖，2019-2023不断5年科睿唯安（Clarivate Analytics）高引学者。

朱艺涵，国家级青年强人，教授。2010年博士结业于浙江大学化学系，随后退出阿卜杜拉国王科技大学负责钻研迷信家。2017年入职浙江工业大学化工学院。落选国家外洋引才妄想，省科协青年英才妄想及高校领军强人哺育妄想，先后主持国家优异青年迷信基金、面上基金等4项，省卓越青年迷信基金1项，担当国家重点研发妄想重点专项课题1项。主要处置后退电子显微措施学睁开以及物资迷信运用，相关下场在Science及其子刊、Nature子刊等威信期刊宣告论文140余篇，援用次数17000余次，H指数63；主编图书分册1部、撰写图书章节4章；现任浙江省份测协会理事、电镜与微妄想青委会副主任、工业催化同盟青委会委员。获国内催化协会青年迷信家奖、美国显微学会主席学者奖、中国质料与试验总体尺度贡献奖等。