类型a
主要作者与研究机构及发表信息
本研究的主要作者包括 Xiaohan Wu、Juliette Billaud、Iwan Jerjen、Federica Marone、Yuya Ishihara、Masaki Adachi、Yoshitaka Adachi、Claire Villevieille 和 Yuki Kato，其中 Claire Villevieille 和 Yuki Kato 为通讯作者。研究由 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA（德国）于2019年发布，并发表在《Advanced Energy Materials》期刊上，文章的DOI为10.1002/aenm.201901547。
学术背景
该研究属于全固态电池（All-Solid-State Batteries, SSBs）领域，旨在通过原位可视化技术（Operando Visualization）揭示电池内部形貌动力学（Morphological Dynamics）。全固态电池因其高能量密度和安全性被认为是下一代储能设备的重要方向。然而，由于其复杂的界面反应和离子传输机制，如何理解电极材料在充放电过程中的动态演化仍是一个挑战。为此，研究人员开发了基于同步辐射X射线断层扫描（Synchrotron X-ray Tomography, SRXTM）的方法，以实时监测电池内部的微观结构变化。研究的目标是探索锂化和脱锂过程中活性材料（如锡颗粒，Sn）的形貌演变规律，以及裂纹形成对离子传输和电化学性能的影响。
详细研究流程
研究包含多个实验步骤和分析流程：
固态电池设计与测试环境准备
研究团队设计了一种适合SRXTM测量的固态电池堆栈，其外壳由聚醚醚酮（PEEK）制成，壁厚为0.5毫米。为了维持电池循环所需的单轴机械压力（70 MPa），使用低吸收性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）框架提供外部支撑。电池旋转180°时，仅一个支柱会衰减X射线束，从而最小化光束吸收。
电化学性能评估
使用不同电流密度（0.375 mA cm⁻² 至 1.00 mA cm⁻²）进行倍率能力测试，并评估电极厚度（200 µm 和 400 µm）对性能的影响。此外，还进行了长期循环测试，以研究老化机制。
形貌动力学分析
利用Amira软件对锡颗粒和锂化锡颗粒（LiₓSn）的拓扑结构进行分类，分为三种拓扑类型：环面（χ=0）、球体或带孔球体（χ=1）、空心球体（χ=2）。通过对不同充放电状态下的颗粒形态进行三维重建，分析其体积变化和拓扑演化。
裂纹形态与曲折度分析
从断层扫描图像中提取五种相（LiₓSn、Sn、LiₓSn+Sn、裂纹、固体电解质），并利用随机森林模型分析裂纹形态对离子传输曲折度（Tortuosity Factor）的影响。研究特别关注裂纹位置与曲折度的关系，以及裂纹对电化学行为的作用。
数据处理与建模
使用多级对比方法对图像进行分割，并提取225个形状特征作为预测变量，结合曲折度因子进行回归分析。研究还引入了时间演化的曲折度模型，以解释裂纹扩展对电化学行为的影响。
主要结果
1. 电化学性能测试结果
在最低电流密度下，电池首次循环可提供560 mAh g⁻¹的比容量，在恒电流模式下达到710 mAh g⁻¹。随着电流密度增加，极化现象加剧，比容量显著下降。电极厚度增加导致更高的极化，但约70%的充电量来自恒电流步骤。
形貌动力学分析结果
锂化过程中，Sn颗粒表面开始锂化，形成拓扑结构为χ=1的LiₓSn颗粒，随后转变为χ=2，最终完全锂化后恢复为χ=1。脱锂过程则表现出不同的梯度分布，表明反应限制步骤从欧姆极限转变为扩散极限。
裂纹对离子传输的影响
裂纹的存在显著增加了曲折度因子，尤其是靠近分离器的裂纹对离子传输影响最大。随机森林模型显示，裂纹主直径和横截面积是最显著的形状特征。
时间演化模型验证
引入时间演化的曲折度模型后，实验与理论拟合度显著提高，证明裂纹形态直接决定了电池的电化学行为。
结论与意义
本研究揭示了全固态电池中活性材料颗粒的形貌演变规律，特别是裂纹形成对离子传输和电化学性能的关键作用。研究发现，裂纹不仅增加了离子传输路径的曲折度，还显著降低了电池的循环稳定性。这些结果为优化全固态电池的设计提供了重要参考，例如通过控制颗粒尺寸和减少裂纹生成来提高性能。此外，研究开发的时间演化曲折度模型为理解复杂电化学系统提供了新工具。
研究亮点
1. 首次实现了全固态电池内部形貌动力学的原位可视化。
2. 揭示了裂纹位置与离子传输曲折度之间的强相关性。
3. 提出了时间演化的曲折度模型，为电化学行为的定量描述提供了新方法。
其他有价值内容
研究还探讨了不同电极厚度和颗粒尺寸对性能的影响，为实际应用中的材料选择提供了指导。此外，研究团队开发的基于Amira软件的拓扑分析方法为未来类似研究提供了技术支持。