锂金属因其较高的比容量（约为3860mAh/g）获得了产业界和学术界的极大关注，是新一代电池的理想负极材料之一。由于锂金属较强的化学活性，锂金属作为电极时，其容易和电解液发生副反应，形成锂“枝晶”，使电池库伦效率和循环寿命大幅度降低。此外，不可控的锂“枝晶”会穿破隔膜，造成电池内部短路，从而导致电池失效。使用机械刚性的固态电解质来抑制锂枝晶生长，获得了许多科研人员的关注。然而，锂金属仍然可以穿透固态电解质，解决这个问题需要对锂枝晶的生长及相关的力学行为有一个基本的了解。
为此，燕山大学张利强教授、唐永福副教授、乔治亚理工学院朱廷教授、宾夕法尼亚州立大学Sulin Zhang教授以及燕山大学/湘潭大学黄建宇教授等人巧妙的利用泽攸科技（ZepTools）推出的PicoFemto®原位力电一体样品杆，对锂晶须形貌进行了原位生长观察，并对其进行了应力测量。相关研究成果以《Lithium whisker growth and stress generation in an in situatomic force microscope–environmental transmission electron microscope set-up》为题发表在权威国际期刊《Nature nanotechnology》上。（2019年IF=33.407）
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-019-0604-x
研究人员发现在室温下，当对AFM针尖施加电压（过电位）时亚微米晶须开始生长，这个生长过程中的生长应力高达130 MPa，这个值大大高于先前报道。此外，他们也发现Li晶须在纯机械载荷作用下的屈服强度可达244Mpa。
AFM-ETEM纳米电化学测试平台，可实现原位观测纳米固态电池中锂枝晶生长机制及其力学性能和力-电耦合精准定量测量
该实验利用PicoFemto®原位力电一体样品杆和FEIETEM结合搭建实验测试环境。其中，力电杆中AFM探针的悬臂梁弹性系数选择为0.1 – 40 N/m。作者通过电子束诱导碳沉积将碳纳米管焊接到AFM探针的尖端。之后，一块锂金属在手套箱内被安装在原位力电样品杆的另一端。将样品杆密封在充满干氩的密封袋中，并转移到ETEM中。空气暴露的总时间小于2秒，从而限制了金属锂的氧化。样品的运动由PicoFemto®原位力电杆的三维操纵探针控制。当碳纳米管和锂金属连接时，为生长锂晶须提供了外部偏压（–2到-8v）。生长中的锂晶须向上推动原子力显微镜的尖端，从而允许实时测量锂晶须中产生的应力。
具体地说，给定AFM悬臂梁的有效弹簧常数k，由Li晶须生长产生的力P由悬臂梁尖端的测量位移Δx通过P=kΔx计算得出。注意，由于悬臂梁的挠度（<5um）远小于其梁长（520um），因此可以合理地假设Δx和P。通过在原位TEM成像中测量晶须的直径并相应地测量晶须的截面积A，用SiG= P/A确定晶须中产生的轴向压缩应力，以精确测量横截面积A，我们旋转ETEM中的锂晶须以确定其横截面几何结构。在晶须生长过程中，用安培表记录晶须中的电流，安培表的读数约为1.2×10-10A。当晶须直径约为700 nm时，电流密度约为31 mA cm-2，与传统的锂离子电池相媲美。
图2：锂晶须生长的原位AFM-ETEM成像以及在施加电压下同时测量锂晶须的最大应力
该研究颠覆了研究者对锂枝晶力学性能的传统认知，为抑制全固态电池中锂枝晶生长提供了新的定量基准。为设计具有高容量长寿命的金属锂固态电池提供了科学依据。该研究成果将助力固态电池在电动汽车、大型储能和便携电子器件等领域应用研发。该工作得到国家基金委和科技部的大力支持。
来源：材料科学与工程微信公众号
