具有陶瓷電解質和堿金屬負極的全固態電池（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動力學跟蹤，表明Na枝晶通過Na沉積和裂紋擴展的交替發生在β′′-Al₂O₃SE中生長。原子尺度成像證明，電化學循環導致沿著Na⁺傳導平面的大規模分層開裂，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枝晶生長的形態動力學，預測生長枝晶的樹狀分形形態。

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晶粒跨晶傳播，導致Na/β′′-Al₂O₃/Na對稱電池在循環過程中短路。而且，HAADF成像顯示Na+傳導導致β′′-Al₂O₃傳導通道閉合；高電流密度觸發沿著傳導平面的大規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；鈉的沉積會引發新的裂縫；并且Na沉積跟隨裂紋直到發生短路。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