电池革命 | 日立电镜为固态电池研究提供最全面的解决方案

前言

重磅！近日在www.nature.com上登载了题为“The battery revolution depends on microscopic insights”的固态电池研究相关的文章，日立高新技术（美国）应用工程师Atsushi Muto接受杂志采访。

以下是中文翻译

一场伟大的能源变革正在进行，它照亮了通往低碳未来的道路。但这一领域的创新者们仍然面临着巨大的阻力。当今锂离子电池发展局限性就是这样一个瓶颈，使人们对广泛电气化的可行性产生了怀疑。开发人员面临着越来越大的压力，需要进一步推动电池技术的发展——提供更多电力、提高安全性并加快充电时间。虽然在实验室实现突破是有希望的，但将其推广到大规模生产却是一场艰苦的斗争。Georgia理工学院教授兼储能研究员的Matthew McDowell认为：“开发新的电池技术需要时间、精力和材料——风险资本通常期望快速周转，但在这个行业，进展却比较缓慢。尽管如此，电池技术仍在向前发展令人兴奋。”

电池技术的成功越来越取决于原子尺度上的精度。如果无法了解离子传输、界面行为和机械应力等关键过程，创新就会遇到障碍。许多初创企业和新入行者在这些错综复杂的微观问题上苦苦挣扎，阻碍了进展，同时也凸显了人们对能揭示隐藏动态的先进工具的需求。

稳健的收益

McDowell正在推动固态电池研究的创新，优先为电动汽车和航空等要求苛刻的行业提高电池的能量密度和安全性。通过利用固体取代传统液态电解质的技术抑制了锂枝晶的形成，防止灾难性故障和热失控。他指出，该技术还可以使用纯锂金属等非常规阳极，从而将能量密度提高 50%。虽然固态电池前景广阔，但McDowell提到，完美是难以实现的。他说：“液态电解质的优势在于它们能适应变化，保持与电极的接触并实现离子转移。但对于固体而言，即使是轻微的结构变化也会导致接触不良。固体不会流动，它们会维持应力，因此保持固-固界面是这些电池的根本问题。”

McDowell对固态电池的研究包括解决界面不稳定性和空隙形成的问题。许多实验室通过增加堆叠压力的方式来迫使各部分固体在循环过程中保持接触，但这种方法会增加电池的体积并降低能量密度，因此不适合商业应用。为了解决这个问题，McDowell和他的团队开发出了纳米合金/碳复合材料。这种材料可以防止空隙形成、保持固-固界面接触并增加低堆叠压力下的循环稳定性[1]。

McDowell的团队还开发了用于稳定固态电池界面以及防止接触不良的中间层。利用铟基合金具有优异离子传输性能的特点，McDowell团队制备了以此合金为基础的阳极，用于控制体积变化并减轻锂捕获 [2]。这种方法能在循环过程中保持界面接触，对于提高长期稳定性和性能至关重要。

McDowell指出：“为了分析这些改进，我们主要依靠扫描电子显微镜（SEM）进行横截面成像。利用FIB技术，我们可以切割样品并了解其内部结构。虽然这个过程听起来很简单，但它要求高精度，从而避免损坏样品并获得可信的图像。”

电压的重要性

对于日立高新技术（美国）的应用工程师 Atsushi Muto 来说，创新意味着利用技术解决实际问题。Muto在电子显微镜领域拥有超过 26 年的经验，他与客户合作并解决了他们所面临的挑战，特别是在电池技术领域。他的工作重点是利用先进的电子和离子束工具提供量身定制的解决方案，在研究和实际应用之间架起一座桥梁。

Muto 强调了扫描电子显微镜超低电压成像的重要性，它通过大幅降低主电子束的能量来保护样品[3]。通过对比电池阴极材料在不同加速电压（15 kV、5 kV、1 kV和超低的 10 V）下的图像可以发现，在较低的加速电压下，电子只在材料表面附近散射，从而提供了详细的材料表面精细结构和化学成分信息。而较高的加速电压往往会掩盖这些细节，使表面观测（如污染和粘合剂分布）变得模糊不清。

规模化的精度

对于初创企业和电池生产商而言，速度和效率至关重要，尤其是卷对卷加工工艺。通常情况下，电池是通过浆料涂覆工艺制备的，在这种工艺中，活性颗粒被连续涂覆到金属箔上，类似于印刷报纸的过程。McDowell的团队正在用铝铟合金电极来改进这种方法，这种电极具有多相微结构，可以提高稳定性，减少充电时的体积变化。McDowell 补充道：“设计具有特定微观结构的材料与了解材料在循环过程中的变化之间存在密切联系。X 射线光谱、电子显微镜和 X 射线成像等表征工具对于电池研发至关重要，它们能够帮助我们了解这些材料是如何演变的。”

Muto强调压延是锂离子电池生产的重要步骤，日立作为前电池生产商能够发挥其历史优势。压延过程将电极材料压制成均匀的薄片，确保厚度一致以获得最佳性能。在这一步中，SEM分析对于检查电极材料的微观结构、发现缺陷并确保电极材料的均匀分布至关重要。Muto指出：“日立提供的生产包中包含了快速检测且灵活的压延工具，非常适合初创公司。”他补充说：“从手持式激光分析仪到大型异物检测系统，日立的检测与分析设备可适应各种生产规模。”Muto 通过不断与客户接触，始终站在电池制造创新的最前沿。他说：“站在前沿拓宽了我们的视野，这有助于我们提供更好、更实用的解决方案。”

参考文献：

1.   Yoon, S. G. et al. ACS Nano 18, 20792–20805 (2024).

2.  Jeong, W. J. et al. ACS Energy Lett. 9, 2554–2563 (2024).

3.  Postek, M. T. et al. Proc. SPIE 11467, Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, Thin Films, and Devices XVII, 114670Q (2020).

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