同步辐射X射线层析成像技术揭示固态电池界面动态演化

固态电池因其替代液体电解质，具有更高的安全性而引起人们的兴趣。此外，固态电解质（SSEs）能够抑制锂枝晶的生长，从而使得锂金属电池得以推广应用。尽管目前具有高离子导电性的SSEs得到了一定的发展，但对固体电极/SSE电池界面的理解和控制已成为固态电池发展中的主要挑战。一般来说，由于SSE不能像液体电解质一样流动，与液体电解质电池相比，化学机械降解在固态电池中会更加严重。因此，探究固态电池界面化学-机械转换对于设计固态电池至关重要。

大多数SSEs对金属锂是不稳定的，在界面处会分解形成界面层，界面处电子的传输过程对电池的化学机械降解路径起着重要作用。此外，形成钝化间相的SSEs（如Li7La3Zr2O12和Li2S–P2S5体系）经常容易受到锂金属穿刺和短路的影响，从而限制了循环电流密度。同时，在氧化还原循环过程中，保持Li/SSE界面的机械接触同样具有挑战性。电极材料和间相的形态变化会导致电池界面电子传导损失或其他机械损失。电化学研究表明，锂剥离过程中Li/SSE界面的形成从根本上限制了孔洞的形成，孔洞的减少将导致更大的局部电流密度，从而驱动锂金属电极的穿刺。因此，要探究这一“埋藏于”固态电池中的界面变化过程，需要一种技术能够穿透材料并提供局部的界面信息。X射线层析成像技术因其空间分辨率低至亚微米尺度，并能将观测材料进行原位重建，而受到研究者的广泛应用。但目前还没有任何X射线层析成像实验对电极循环过程中电极与固态电解质界面空隙的形成和Li/SSE界面接触进行成像分析，以实现与电化学行为的定量联系。

基于此，美国佐治亚理工学院Matthew T. McDowell团队及合作者利用Operando同步辐射X射线层析成像技术在较高标称电流密度（≥1 mA cm-2）下直接观测Li/Li10SnP2S12/Li对称电池的动态现象。研究人员首先在两种不同的电流密度下进行原位X射线显微成像，观察4 mA·cm-2和1 mA·cm-2电流密度循环前后重构界面图像，发现在界面处可以看到形成了中间衬度的界面相，其中1 mA·cm-2电流密度下，完全循环一次后，界面处的空隙显著增大。随后研究人员探究了电池循环过程中Li/Li10SnP2S1界面处空隙形成、界面相演化及体积变化特征。发现电池界面相的形成将引起界面处的相变和显著的体积变化，通过电化学定量分析揭示了电池失效最终是由界面空隙形成及接触损失所导致的电流收缩所驱动的。

该项研究揭示了固态电池中界面的动态演化，直观地展现了导致电池失效的重要因素：界面接触损失和重构过程，观察到化学机械现象对锂离子电池的运行起着关键作用。而Operando同步辐射X射线层析成像技术可以量化Li/SSE界面的接触损失，从而帮助解释充电过程中的丝状锂成核与生长，此发现也为了解固态电池性能衰减机制提供了重要启示。相关研究成果发表在《Nature Materials》。