北京理工大学材料学院金海波教授和苏岳锋教授课题组首创设计制备荧光固态电解质，利用激光共聚焦显微镜(CLSM)对循环后的固态电解质进行光学切片，构建三维模型，定量分析固态电解质中的钠枝晶含量。近日，相关研究结果以“Imaging dendrite growth in solid-state sodium batteries using fluorescence tomography technology”为题在国际知名期刊《Science Advances》(DOI: 10.1126/sciadv.adr0676)上发表。北京理工大学材料学院2022级博士生杨帅帅为第一作者，王成志预聘助理教授、陈来特聘研究员和金海波教授为论文共同通讯作者。
钠枝晶的生长和扩展是固态钠金属电池性能衰退的主要原因之一，它不仅会引起电池内部短路，还可能降低循环稳定性和能量密度。传统的钠枝晶检测手段操作繁琐、时间耗费较长，难以提供高精度和高效率的检测结果。为了解决这一问题，科研团队开发了一种荧光固态电解质，并结合CLSM技术对固态电解质进行荧光切片，构建钠枝晶的三维模型，识别其分布情况。利用Avizo 3D软件对重建的三维结构进行钠枝晶提取和形貌分析，进一步给出定量化结果(图1)。
图1. CLSM方法及其与其他材料观测方法的比较。
图2. 固态钠电池中的钠枝晶三维成像。
基于钠枝晶荧光三维成像技术，能够有效观察固态钠全电池在不同充放电循环下的钠枝晶生长过程。荧光断层成像数据如图2所示，分别在第一次、300次、600次和1100次充放电循环后进行采集。图2(A至H)展示了不同循环次数下固态电解质的逐层荧光切片和三维重构图像，表明随着充放电循环次数的增加，钠枝晶的数量逐渐增加，同时固态电解质的红色荧光强度显著下降。具体而言，图2(I至L)提取了钠枝晶(或荧光消失区域)进行定量分析。在第一次循环时，几乎没有荧光消失区域，体积比为0.039%，这些区域主要由固态电解质的固有孔隙引起。经过300次循环后，出现了体积比为1.063%的岛状钠聚集体，表明在电解质中形成了钠枝晶，这是第300次循环后电池容量损失的主要原因。到了第600次循环时，钠聚集体显著扩展，体积比达到4.456%；而在第1100次循环后，整个固态电解质中形成了致密的钠聚集体，临界体积占比为5.349%，这可以解释电池性能的下降。此项研究开发了一种功能化的荧光固态电解质，并提出了一种便捷的成像方法，能够有效捕捉与固态钠电池性能衰退机制相关的钠金属枝晶生长过程。
论文详情：Shuaishuai, Yang, Na Li, Enyue Zhao, Chengzhi Wang, Jingxin He, Xiong Xiao, Debao Fang, Qing Ni, Xile Han, Xiaobin Xue, Lai Chen, Ning Li, Jingbo Li, Tuan Guo, Yuefeng Su, Haibo Jin. Imaging dendrite growth in solid-state sodium batteries using fluorescence tomography technology, Science Advances, 10, 47 (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adr0676
附作者介绍：
杨帅帅，材料学院2022级博士生，导师为金海波教授，研究方向为固态电解质材料及固态钠电池，目前以第一作者在Science Advances、Energy Storage Materials、ACS Applied Energy Materials发表学术论文3篇。
王成志，预聘助理教授，硕士生导师。主要从事固态钠电池研究，主持国家自然科学基金等科研项目。在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Science等期刊发表论文40余篇。
陈来，特聘研究员，主要从事锂离子电池等电化学储能材料与器件的研究，作为负责人先后主持和完成国家自然科学基金、国家自然科学基金青年基金、国际合作研究项目及企业合作项目等。发表学术论文50余篇，申请发明专利50余项。
金海波，教授，博士生导师，国家级领军人才，科技部重点领域创新团队带头人，北京市课程思政教学团队负责人，北京市教学名师。主要从事智能材料/能量存储与转化材料研究。作为负责人先后主持和完成863计划、国家自然科学基金、教育部重大项目等科研项目。发表学术论文100余篇，SCI他引1万余次。
