研究概述

固态钠电池（SSBs）是下一代能源存储系统的重要研究方向，因其具有成本效益高、能量密度高和安全性好的优点，成为了实现绿色低碳能源结构的研究热点。然而，SSBs在实际应用中面临较大的界面阻抗和钠金属负极界面枝晶生长的问题，这些问题严重限制了固态钠电池的循环性能和稳定性。有鉴于此，国内外科学家提出了多种方法来优化界面接触并抑制钠枝晶的生长，包括多层结构设计、原位构建钠亲和界面层、压电中间层涂覆以及超声焊接辅助等技术，取得了降低界面阻抗和长寿命无枝晶循环的显著进展。

针对当前观察钠枝晶生长机制的技术过于复杂昂贵的问题，北京理工大学金海波、王成志、陈来等人在Science Advances期刊上发表了题为“Imaging dendrite growth in solid-state sodium batteries using fluorescence tomography technology”的最新论文。研究者通过设计一种掺杂Eu³⁺的荧光Na₃Zr₂Si₂PO₁₂（NZSP）固体电解质，开发了一种基于共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）的荧光断层成像（FT）方法，用于三维可视化钠枝晶的生长过程。

研究发现，随着循环次数的增加，小型钠岛逐渐演变为直径超过12微米的大型枝晶，最终导致短路或性能退化。此外，通过优化Eu³⁺掺杂比例，实现了超过487.5天的长期钠镀/剥循环稳定性。这项研究不仅为揭示钠枝晶生长机制提供了新的技术手段，也为高性能固体电解质的设计提供了重要参考。

图文解读

图1. CLSM方法及其与其他材料观测方法的对比。

图2. 以NZSP为对照的氟化固体电解质的表征。

图3. 氟化固体电解质与NZSP对照的电导率和界面性能。

图4. 利用荧光断层成像观察钠枝晶。

图5. 固态NVP/NZSP–5% EO/Na电池在25°C下的电化学性能。

图6. 在固态NVP/NZSP–5% EO/Na电池中观察钠枝晶的生长。

文献信息

Shuaishuai Yang et al. ,Imaging dendrite growth in solid-state sodium batteries using fluorescence tomography technology.Sci. Adv.10,eadr0676(2024).DOI:10.1126/sciadv.adr0676