鈉電池
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鈉離子電池在成本、安全性、環(huán)境友好性和資源可得性方面具有顯著優(yōu)勢。這些特點使得鈉離子電池在大規(guī)模儲能和某些特定應用場景中具有巨大的發(fā)展?jié)摿??？蒲腥藛T致力于提升鈉離子電池的能量密度使其部分可以替代目前主流的鋰離子電池。
鈉離子電池應用場景：
儲能系統(tǒng)：由于其低成本和高安全性，鈉離子電池在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中的應用前景廣闊，特別是在可再生能源發(fā)電（如風能和太陽能）儲能系統(tǒng)中。
新能源交通工具：由于其低成本和高安全性，盡管目前鈉離子電池的能量密度低于鋰離子電池，但在未來技術進步后，可以再在某些電動交通工具中得到廣泛應用。
然而研究人員發(fā)現(xiàn)，在納電池的使用過程中也有可能會生成枝晶，而枝晶對電池使用是有害的！
下面我們通過布魯克公司應用實驗團隊的數(shù)據(jù)來具體了解。
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實驗難點
我們在具體實驗過程中發(fā)現(xiàn)以下難點與挑戰(zhàn)：
枝晶大部分存在于正極顆粒之間會被遮擋 – 陰影效應
枝晶部分不耐輻照，長時間輻照后晶體消失 – 需使用低電壓低束流
即使在5kV低加速電壓下也會變形，熔解，需使用3kV快速表征 – 保證短時間內高計數(shù)量
不同測試階段下枝晶的表現(xiàn)
5kV下未表征前
5kV下表征1分鐘
3kV下表征3分鐘
實驗設置及樣品表現(xiàn)
實驗目的：
對正極材料樣品中的枝晶進行元素分析，判斷是否為枝晶（一般枝晶多出現(xiàn)在負極，樣品為正極）
測試采用的儀器及工作條件 :
EDS: 布魯克XFlash FlatQUAD
軟件: Esprit 2.5
加速電壓: 3 KV
接下來我們看不同測試條件下的樣品表現(xiàn)：
正極材料：7000倍
加速電壓：3kV
采集時間：100s
正極材料：15000倍
加速電壓：3kV
采集時間：120s
測試結論
布魯克平插式能譜儀FlatQUAD空間固體角可達到>1.1sr，相同的分析條件下，平插式能譜儀的信號量可達常規(guī)能譜的幾十倍。即使在低電壓分析時，平插式能譜儀依然可獲得非常高的輸入計數(shù)率，可在幾分鐘內得到高質量的EDS分析結果。
平插式能譜可以消除表面不平整樣品的陰影效應。
結果顯示樣品中的針狀晶體均為鈉離子氧化物，屬于電池中的枝晶
枝晶是如何產生的？
充電過程中，金屬離子遷移到負極并還原成金屬。這一過程如果發(fā)生不均勻，金屬會在負極表面形成不規(guī)則的沉積，從而逐漸形成枝晶。（電流密度和電解液成分會加劇影響）
高電流密度加劇了金屬離子在負極表面的快速沉積。由于快速沉積過程中，電極表面上某些區(qū)域的電化學反應速度更快，導致金屬優(yōu)先在這些區(qū)域堆積，形成枝晶。
如果電解液中存在不穩(wěn)定的成分或雜質，會導致金屬離子的遷移和沉積過程出現(xiàn)不均勻，增加枝晶形成的可能性。
電極材料的性質（如導電性、表面形貌等）和結構設計（如多孔結構、納米結構等）也會影響枝晶的形成。導電性差或表面粗糙的電極材料容易導致金屬沉積不均勻，從而形成枝晶。
負極和電解液之間的界面如果不穩(wěn)定，會導致電極表面形成不均勻的鈍化層或其他副產物，這些不均勻結構為枝晶的形成提供了有利條件。
電池的充放電條件（如充電速度、溫度等）也會影響枝晶的形成。在快速充電或高溫條件下，金屬離子的遷移和沉積過程加速，增加了枝晶形成的風險。
枝晶到底有哪些危害？
容量衰減：枝晶的形成會消耗大量的活性金屬（如鋰或鈉），這些金屬離子一旦形成枝晶，就不能再參與電池的正常充放電反應，導致電池的實際容量減少，從而加速電池的容量衰減。
性能下降：枝晶的存在會增加電池內部的電阻，影響電池的充放電效率和性能。這種內部電阻的增加會導致電池在使用過程中電壓不穩(wěn)定，影響設備的正常運行。
安全風險：枝晶可以刺穿電池的隔膜，導致正負極直接接觸，造成內部短路。內部短路不僅會使電池失效，還可能引發(fā)一系列安全問題，如發(fā)熱、燃燒甚至爆炸。除了短路引發(fā)的熱失控，枝晶的存在增加了電池使用過程中的不穩(wěn)定性。特別是在高功率放電或快速充電情況下，枝晶的存在可能引發(fā)劇烈的化學反應，增加安全風險。
減少電池中枝晶生成的建議和策略
優(yōu)化電極材料：
使用合金或復合材料：如鈉離子電池中的鈉金屬負極可以用鈉合金（如鈉鈦合金）或鈉-碳復合材料代替，這些材料的結構更穩(wěn)定，不易形成枝晶。
結構優(yōu)化：采用納米結構，多孔結構的電極材料可以提供更多的表面積和沉積點，促進均勻的金屬離子沉積，減少枝晶的形成。
改進電解液成分：
高濃度電解液：使用高濃度電解液可以提高電解液的粘度，減少金屬離子的遷移速度，促進均勻沉積
添加劑：在電解液中添加某些化學添加劑（如離子液體或有機添加劑）可以改變金屬離子的沉積行為，抑制枝晶的形成。
固態(tài)電解質：固態(tài)電解質比液態(tài)電解質更能阻止枝晶穿透，因其固態(tài)結構可以提供物理屏障。
界面優(yōu)化
人工保護層：在負極表面涂覆一層人工保護層（如石墨烯、陶瓷涂層等）可以防止金屬離子的直接沉積，減少枝晶形成。
界面改性：通過化學或物理方法改性負極與電解液的界面，使其更加平滑和均勻，以促進均勻沉積。改進電解液成分。