编者按：为有效推动科学普及与科技创新两翼齐飞，营造尊重科学、崇尚创新的浓厚氛围，我们再次推出“科学家讲科学”系列科普讲座，在上一期邀请我省自然科学基金创新研究群体基础上，此次燕赵青年科学家项目负责人带来了他们各自研究领域基础科学知识，带你用好奇更新已知边界，用科学连接未来生活。让我们与省自然科学基金背后的专家面对面，与科学零距离，继续有料有趣的奇妙科普旅程！

　　今天我们一起走进燕山大学张利强研究员团队，探索电池内部微观世界的奥秘。

　　探索电池内部微观世界的奥秘

　　电池是一种将化学能转化为电能的装置，它自诞生起已有三百年的历史。发展至今，装配电池的电子设备已经在我们日常生活中随处可见。我国正把新能源汽车作为“中国制造2025”的一个重要组成部分，并期望在该领域主导下一轮全球汽车产业的变革。其中高能量密度电池是实现这一步的关键，但现在电池领域还存在安全性差、充放电速度慢、寿命短等诸多问题。

　　如何解决这些问题呢？这就要从电池内部了解其电极材料的微观结构变化。透射电镜在电池机理研究中发挥着关键作用，通过其高分辨率和高灵敏度，为研究电池材料的微观结构和化学成分提供了强大的支撑。

　　

　　图1 燕山大学“科学家讲科学”科普讲座现场

　　首先，透射电镜可以帮助研究人员观察电池中各种材料的微观结构。例如，正极材料（如氧化物或磷酸盐）和负极材料（如锂金属或碳材料）的形貌、晶体结构和界面特性都可以通过透射电镜进行表征。其次，透射电镜可以揭示电池中化学反应的细节。通过透射电镜，研究人员可以直接观察到电极材料中锂离子的嵌入和脱嵌过程，以及锂离子与电解质之间的相互作用。第三，透射电镜还可以用于研究电池中的界面现象。电池中的界面，如电极与电解质之间的界面和电极内部的晶界，对电池性能具有重要影响。

　　液态锂离子电池容易发生爆炸，并且此类电池的能量密度已经逼近其理论极限。所以我们将视线转到更有发展前景的固态电解质电池，但固态电池也会出现短路失效问题。这又是为什么呢？张利强团队搭建起TEM-AFM原位锂枝晶生长、力学性能和力-电耦合测量装置，实现了锂枝晶的原位生长与力学性能的同步测量。发现了纳米尺度锂枝晶的力学强度比体材锂高出两个数量级，锂枝晶越小强度越强，生长应力可高达132 MPa，颠覆了传统上对锂枝晶的认知。揭示了锂枝晶的高力学强度和力电耦合是锂枝晶刺穿固态电解质导致固态电池失效的根源。在前期研究基础上，进而发现固态电池中电解质失效是由于金属锂在电解质内部沉积，产生局部应力导致电解质断裂，并且由于固态电解质中形成孔洞，锂在此处形核并不断长大，在电解质中形成穿晶断裂的碗装裂纹，而不是传统设想中从锂负极端沿着晶界断裂，来破坏固态电解质。

　　

　　图2 燕山大学张利强研究员

　　除了液态和固态电池，金属空气电池也具有超高能量密度，应用前景广阔，但其存在寿命短、稳定性差、氧化还原反应机理不明等问题。该团队在电镜中搭建起Na-O2金属空气电池，实现了金属电极材料与气体氧化还原反应产物及途径的实时监测，同时对反应产物进行了原位电子衍射监测，实时观察到了样品的结构变化信息，揭示了金属电极与气体的氧化还原反应机制。发现在放电过程中，氧化铜纳米线出现了第一、第二乃至第三次的体积膨胀，并且该实验还有良好的可重复性。

　　金属锂、钠、钾等由于其超强的化学活泼性，空气稳定性差，会造成电池性能劣化，同时在储存、运输、使用的过程中存在着巨大安全隐患。该团队采用电化学电镀制备碳酸锂保护的锂球，大幅提升金属锂的空气稳定性，打破了国外同类产品的垄断局面。

　　未来，该团队将应用原位透射电镜技术直观的揭示各类型电极材料在充放电过程中的微观变化行为，为宏观电池的设计提供理论依据。

原文链接：https://kjt.hebei.gov.cn/www/xwzx15/hbkjdt64/312732/index.html
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