单晓楠教授、杨阳教授、David Mayerich教授， AEM观点：利用原位3D显微镜研究金属电池的局部电化学环境效应- 大数跨境

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单晓楠教授、杨阳教授、David Mayerich教授， AEM观点：利用原位3D显微镜研究金属电池的局部电化学环境效应

科学材料站

2021-12-23

导读：该文章利用原位3D显微镜及多平台3D 重建算法，实时监测了3D Zn-Mn合金电极的沉积和剥离过程

文章信息

利用原位3D显微镜研究金属电池的局部电化学环境效应和电极反应动力学

第一作者：冯光霞，郭家明，田华军

通讯作者：单晓楠*，杨阳*，David Mayerich*

单位：休斯顿大学，中佛罗里达大学

研究背景

可充电电化学电池作为非常重要的储能设备，革新了便携式设备、电动汽车和智能电网行业。然而，电解质/电极界面的不可控枝晶生长会降低电池容量，缩短电池寿命甚至引发严重的安全问题，从而对实际应用中构建可靠电力系统造成巨大障碍。

不可控的枝晶生长与不均匀的反应环境密切相关。在充放电过程中，金属的沉积与剥离由局部电化学环境决定；与此同时，局部电化学环境会在金属的沉积和剥离中动态变化。因此，实时监测金属的沉积和剥离过程并研究整个过程与局部电化学反应环境的相互作用非常重要。

本篇观点展示了利用原位3D 显微镜实时监测金属电极在沉积和剥离过程中的动态形貌变化，并利用三维重建得到的实时电极形貌和数字孪生技术，探索了电极结构与局部电化学反应环境的相互作用。本文提供了一种通过优化电极几何结构，控制局部电化学环境来抑制枝晶形成的新策略。

文章简介

在这里，来自休斯顿大学的单晓楠教授，David Mayerich教授与中佛罗里达大学的杨阳教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Probe the Localized Electrochemical Environment Effects and Electrode Reaction Dynamics for Metal Batteries using in-situ 3D Microscopy”的文章。

该文章利用原位3D显微镜及多平台3D 重建算法，实时监测了3D Zn-Mn合金电极的沉积和剥离过程；结合有限元COMSOL建模软件和数字孪生技术，研究了电极几何结构和局部电化学环境的相互影响。

图1. 原位3D显微镜Zn-Mn合金电极实时成像用于金属沉积动态过程分析及数字孪生技术研究电极几何机构与局部电化学环境的相互作用

本文要点

要点一：首次提出并证明了局部电化学反应环境的影响

金属的沉积和剥离是涉及多个电子和传质过程的复杂过程，包括跨电极/电解质界面的电子转移，溶液到电极表面的传质及表面扩散。这些过程相互关联，并由局部电化学环境决定。金属电池中，不可控的枝晶生长与不均匀的局部电化学反应环境密切相关。

然而，大多数的局部电化学环境参数如离子浓度，电流密度，电极表面电势分布及离子的表面扩散系数等无法直接测量，且这些局部电化学环境在3D电极上的动态过程更加复杂。

本文通过对3D Zn-Mn合金电极的沉积和剥离过程的实时监测，发现了局部电化学环境对3D电极的反应动力学和枝晶生长起着决定性的作用，并证明了电极的形貌曲率是影响局部电化学环境的关键因素。

要点二：搭建了原位3D显微镜及相关的重构算法

目前已有的表征技术，例如SEM、TEM等通常只能获得静态的形貌信息，缺少了重要的几何动态变化过程。而一些原位表征方法如AFM和SXCT，设备复杂，成像耗时长，从而应用受限。

本文利用通用的正置显微镜和自动微控制台，通过序列扫描成像就可以获得完整的电极形貌结构，成像时间只需要数秒。并构建了自适应多平台3D重建算法用于去除在水系金属电池中伴随着沉积/剥离过程中的漂浮碎片及气泡，改善重建图像质量，获得高分辨率的电极形貌结构。通过在电极沉积/剥离过程中持续扫描获得电极形貌的动态变化过程，直接可视化电极的局部反应动力学。

要点三：数字孪生技术用于量化局部电化学环境

研究局部电化学反应环境对电极沉积过程的影响可以针对性地制定抑制枝晶生长的方案。本文通过数字孪生技术，利用有限元COMSOL建模软件，将由3D显微镜重构得到的不同时刻的电极形貌用于模型创建，构建了实际实验中电极的数字虚拟，量化了离子浓度，电流密度，电极表面电势分布等局部电化学环境。

模拟结果与实验结果的一致性不仅证明了数字孪生技术的准确性和实用性，更为量化难以测量的局部电化学环境提供了新思路。

要点四：抑制金属电池枝晶生长的新策略

实验结果和数字孪生技术的结合表明3D电极的形貌结构特点能够决定初始的局部电化学环境；随着沉积的进行，局部电化学环境发生动态变化从而影响最终的沉积形貌；而电极形貌的局部曲率是决定局部电化学环境的关键因素。因此，通过优化电极的几何结构可以调控电极表面的局部电化学环境，从而抑制金属枝晶的生成。

文章链接

Probe the Localized Electrochemical Environment Effects and Electrode Reaction Dynamics for Metal Batteries using in-situ 3D Microscopy

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103484

通讯作者简介

单晓楠教授

2003和2006年本科以及硕士毕业于北京大学微电子系，博士师从亚利桑那州立大学电子工程系陶农建教授，并在同课题组从事博士后研究工作。2016年加入休斯顿大学电子工程系。实验室研究方向主要集中于发展各种原位光学以及光谱学方法来研究电化学反应过程，包括电池和催化反应。实验室欢迎动手能力强的硕士研究生申请全奖博士研究生.

杨阳教授

现任中佛罗里达大学（UCF）纳米科学技术中心（课题组主页：课题组主页http://www.yangyanglab.com）。同时受聘于UCF材料科学与工程系和化学系。杨教授2010年于清华大学获博士学位，2010-2012年于德国埃尔兰根-纽伦堡大学（University of Erlangen-Nuremberg）任洪堡学者。2012-2015年由Peter M. & Ruth L. Nicholas 博士后项目资助于美国莱斯大学（Rich University）从事博士后研究。以通讯作者在Nature Energy，Nature. Commun., Adv. Mater.，Adv. Energy. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci. J. Am. Chem. Soc.等发表论文120余篇。研究兴趣包括能源材料和器件的表面和界面电化学、材料科学、纳米制造、电化学工程和纳米科学技术。