应用分享丨使用原位SEM和EDS直接追踪全固态电池中的反应分布

2026-01-20 15:56:28 布鲁克纳米表面仪器部(Bruker Nano Surfaces)

研究背景

全固态电池作为一种新型电池技术，具有诸多优势，如安全性高、能量密度大等，有望在未来的能源存储领域发挥重要作用。然而，要实现其大规模应用，还需要深入研究电池内部的反应过程，以优化电池性能和提高其使用寿命。传统的研究方法往往难以直接观察到电池内部在工作状态下的反应分布情况，因此，开发新的技术手段来直接追踪全固态电池中的反应分布具有重要意义。研究者采用了SEM-EDS方法，原位 SEM 技术可以在电池工作过程中实时观察电池内部的微观结构变化，而 EDS 则能够对元素的分布进行分析，二者结合可以实现对全固态电池内部反应分布的直接追踪。

测试过程

通过原位 SEM 和 EDS技术，研究者成功地观察到了全固态电池在充放电过程中内部反应的分布情况。他们能够清晰地看到电池内部不同区域在反应过程中的元素分布变化，以及微观结构的演变。例如，可以观察到锂离子在电极和电解质界面处的传输和嵌入 / 脱出过程，以及由此引起的电极材料的体积变化和结构改变。

通过改变电子束的加速电压，研究了Na信号的强度，发现5kV的加速电压提供了最高的Na信号强度。在低电压下照射3分钟也不会损伤样品，获得足够原位信号测量全固态电池性能。图1热度图可以更直观的观察元素富集情况。

▲图1

研究者进一步在不同放大倍数下观察TiS₂和Na₃PS₄粒子之间的可分辨距离，估计了空间分辨率。随着放大倍数的增加，可分辨距离减小，空间分辨率提高。如图2,在3000倍、5000倍和10000倍放大下，Na+的EDS映射图像显示了Na₃PS₄和TiS₂粒子之间的清晰对比。热度图可以更直观的观察元素富集情况。

▲图2

对放电前后TiS₂Na₃PS₄/Na₃PS₄/NaSn颗粒中的Na+离子进行原位EDS表征，如图3，其中Na₃PS₄区域未发生颜色变化，而TiS₂区域在放电后从蓝色变为绿色，表明TiS₂中Na+离子的数量增加。

▲图3

研究意义

通过直接追踪全固态电池内部的反应分布，研究者可以更准确地了解电池在工作过程中的实际反应情况，从而为电池性能的优化提供有力的指导，也为全固态电池领域的研究者提供了一种新的研究方法和思路，有助于推动全固态电池技术的进一步发展。

全能型平插式能谱仪工作示意图

参考原文

Noda, T. et al. (2023) ''Direct tracking of reaction distribution in an all-solid-state battery using operando scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy,'' Journal of the Ceramic Society of Japan, 131(10), pp. 651–658. https://doi.org/10.2109/jcersj2.23067.

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