具有陶瓷電解質和堿金屬負極的全固態(tài)電池（ASSB）是未來用于車輛電氣化和智能電網的潛在儲能技術。然而，在長周期、安全的ASSB的設計中，固體電解質（SE）中不可控的枝晶生長導致ASSB短路已成為一個嚴重的問題，而其潛在機制尚不清楚。

在此，燕山大學黃建宇教授，唐永福教授等人通過多尺度成像和形態(tài)動力學跟蹤，表明Na枝晶通過Na沉積和裂紋擴展的交替發(fā)生在β′′-Al₂O₃SE中生長。原子尺度成像證明，電化學循環(huán)導致沿著Na⁺傳導平面的大規(guī)模分層開裂，并伴隨著相鄰傳導通道的閉合。

原位SEM觀察揭示了Na沉積和裂紋擴展之間的動態(tài)相互作用：Na沉積積累了導致裂紋的機械應力；開裂釋放了局部應力，從而促進了Na的進一步沉積。因此，鈉沉積和裂解交替進行，直到發(fā)生短路。本文建立了一個多尺度相場模型來概括Na枝晶生長的形態(tài)動力學，預測生長枝晶的樹狀分形形態(tài)。

圖1. 原位光學顯微鏡觀察Na/β′′-Al₂O₃/Na對稱電池中Na枝晶在β′′-Al₂O₃SE中的生長

總之，通過OM和SEM系統(tǒng)對β′′-Al₂O₃SE中Na沉積和裂紋擴展的動力學進行了原位成像。原子尺度HAADF成像揭示了導致Naβ′′-Al₂O₃SE失效的機制。得到以下結論：首先，鈉枝晶生長表現出“記憶”效應，即新的生長總是遵循舊的路徑。其次，存在于單晶晶粒表面的網狀Na可以通過β′′-Al₂O₃晶?？缇鞑ィ瑢е翹a/β′′-Al₂O₃/Na對稱電池在循環(huán)過程中短路。而且，HAADF成像顯示Na+傳導導致β′′-Al₂O₃傳導通道閉合；高電流密度觸發(fā)沿著傳導平面的大規(guī)模分層裂紋和沿著垂直于傳導平面的方向的尖晶石塊的斷裂。

原位SEM觀察揭示了Na沉積和裂紋擴展之間相互作用的動力學：即Na沉積引起的裂紋先于Na沉積；鈉的沉積會引發(fā)新的裂縫；并且Na沉積跟隨裂紋直到發(fā)生短路。因此，本研究對Na枝晶沉積和裂紋擴展進行了多尺度研究，增強了對Na ASSB中β′′-Al₂O₃SE失效機制的理解，從而為指導Na ASSB儲能應用的發(fā)展提供了關鍵科學依據。

圖2. β′′-Al₂O₃合金中Na枝晶生長和裂紋擴展的多尺度多相場模擬

Morphodynamics of dendrite growth in alumina based all solid-state sodium metal batteries, Energy & Environmental Science 2023 DOI:?10.1039/d3ee00237c