燕山大学黄建宇教授团队、宾夕法尼亚州立大学张宿林教授，EES：氧化铝基全固态钠金属电池枝晶生长的形态动力学

第一作者：耿林、薛丁川、姚景明、戴秋实

通讯作者：黄建宇*，张宿林*，唐永福*，张利强*

单位：燕山大学，宾夕法尼亚州立大学

使用陶瓷电解质和碱金属负极的全固态电池是未来电动汽车和智能电网的潜在储能技术。然而，不可控的枝晶生长导致全固态电池易发生短路现象从而过早失效，这严重阻碍了全固态电池的应用。尽管研究人员对全固态锂金属电池中的枝晶生长问题进行了广泛的研究，但对室温全固态钠金属电池中枝晶生长的研究尚处于起步阶段。近期对于''-Al₂O₃固态电解质（SE）的研究加深了我们对全固态钠金属电池中枝晶问题的理解，但从原子尺度揭示''-Al₂O₃失效机制尚未实现，此类研究可以为''-Al₂O₃ SE的失效机制提供原子尺度的理解，为全固态钠金属电池在储能应用中的开发提供科学指导。

近日，来自燕山大学的黄建宇教授团队与宾夕法尼亚州立大学张宿林教授合作，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Morphodynamics of dendrite growth in alumina based all solid-state sodium metal batteries”的文章。该文章通过原位光学显微（OM），扫描电子显微（SEM）以及原子级HAADF表征技术，跨尺度揭示了''-Al₂O₃ SE的失效机制。

原位光学显微图像显示钠枝晶的后一次沉积总是先沿着前一个循环的路径进行，然后再向外扩展，表现出明显的“记忆”效应。“记忆”效应的出现可能归于以下原因：首先，旧路径中存在残留的钠金属（图1中剥离区域内有少量黑色残留物），从而提高了电子电导率；其次，早期循环中钠枝晶的生长和扩展可能在固态电解质中产生了裂纹与空隙，从而降低了钠金属传输的动力学障碍，成为钠金属沉积/剥离的首选路径。

钠金属的沉积与剥离循环导致固态电解质产生离子传导通道闭合、穿晶裂纹、晶间裂纹以及与''-Al₂O₃晶体结构相关的分层裂纹。原子尺度HAADF图像表明分层裂纹尖端沿钠离子传导平面扩展。在钠枝晶生长、裂纹扩展以及钠离子传导平面闭合的共同作用下，导致晶粒内部应力不均匀，从而促进了分层裂纹的产生。这些分层裂纹是''-Al₂O₃ SE中钠枝晶进一步生长和开裂的初始裂纹构型。

原位SEM观察揭示了钠金属沉积与裂纹扩展之间的动态相互作用：钠金属在固态电解质中沉积会积累机械应力，从而诱导裂纹扩展；而裂纹扩展会释放局部应力，又进一步促进钠金属的沉积。钠金属沉积与裂纹扩展在固态电解质中交替进行，最终导致电池发生短路。

黄建宇 教授燕山大学和湘潭大学教授，博士生导师。1996年博士毕业于中科院金属研究所；1996年至1999年间，于日本国家无机材料研究所、日本大阪大学先后任职；1999年至2001年间，于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室做博士后；2002年至2012年间，于美国波士顿学院、美国桑迪亚国家实验室纳米科技综合中心主任研究员。

一直以来以电子显微镜为主要研究手段，从事纳米力学与能源科学研究工作20多年，主持或者共同主持美国能源部和自然科学基金等项目12项。在电池研究领域取得了系列原创性的研究成果，建立了多种纳米力学和能源材料透射电镜-探针显微镜（TEM-SPM）的原位定量测量技术，在国际上率先制造出可在高真空度电镜中工作的锂电池，发明了在原子尺度上实时观察锂离子电池充放电过程的新技术，形成了原位纳米尺度电化学和纳米力学研究的新领域，为锂离子电池研究提供了有效的技术手段，得到了学术界的广泛认同和高度评价。研究成果在Nature、Science、Physical Review Letters、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Nature Methods、PNAS、Nano Letters等杂志上发表，共发表论文220篇，h因子为78，总引用次数超过20000次，在各种专业学术会议上发表特邀报告90多次。

张宿林 教授宾夕法尼亚州立大学工程科学与机械系教授，主要从事材料力学、能量储存和转换力学以及机械生物学方面的计算和实验研究。

2002年获伊利诺伊大学香槟分校博士学位，1997年获清华大学理学硕士学位，1994年获大连理工大学理学学士学位，均为应用力学专业。2007年美国国家科学基金会早期职业发展奖和2016年宾夕法尼亚州立大学PSEAS杰出研究奖的获得者。他是《Extreme Mechanics letters》杂志的副主编，也是《Nature Partner Journal of Computational Materials》的编委。

唐永福，博士，教授，博士生导师，河北省应用化学重点实验室固定成员，亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室清洁纳米能源中心骨干成员。2012年7月毕业于中科院大连化学物理研究所，获得工学博士学位。同年，进入燕山大学环境与化学工程学院从事教学科研工作。

一直以来，从事金属-空气电池、超级电容器等高性能电化学储能器件的设计、开发及球差校正环境透射电镜原位表征等应用及基础研究。近年来，主持国家自然科学基金、霍英东基金会青年教师基金等纵向科研项目10余项，获得河北省“青年拔尖人才”、河北省高等学校“青年拔尖人才”、燕山大学“新锐工程”等人才计划项目资助，以及获河北省“三三三”人才三层次人选、河北省优秀硕士学位论文指导教师等荣誉；以第一/通讯作者在Nat. Nanotechnol., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Nano Lett., ACS Energy Lett., Nano Energy, Energy Storage Mater., Small, Chem. Comm., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces等高水平期刊发表论文30余篇（其中一区期刊论文20余篇）；论文他引2000余次，h因子为24；申请国家发明专利10项，已授权6项。

张利强 教授 燕山大学材料学院教授，博士生导师，国家优青。长期从事应用原位环境透射电镜技术研究各类型新能源材料，揭示其在复杂环境场中工作及失效的微观机理，为设计高性能电池提供理论指导。

近年来，在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem. Int. Edit., Energy Environ. Sci., Mater. Today, Nano. Lett., ACS Nano等期刊已发表论文69篇（SCI论文67篇，中文核心2篇），其中一作/通讯论文34篇（影响因子大于10.0论文20余篇，中文核心2篇），论文被引用4800余次，h因子为33。获授权发明专利12项，省部级技术发明奖1项。主持国家自然基金优青、面上、青年项目，北京市自然基金面上、青年项目，北京市海淀原始创新项目等纵向课题10余项。

“Morphodynamics of dendrite growth in alumina based all solid-state sodium metal batteries”

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