锂和钠金属阳极在高性能固态电池的进一步发展中起着至关重要的作用。为了有利地影响这些高反应性碱金属的电化学性质，了解它们的微观结构至关重要。

吉森尤斯图斯李比希大学 (JLU) 与来自美国和加拿大的国际研究团队合作开发的一种方法首次成功阐明了电池中沉积的碱金属的微观结构。

锂或钠微观结构的阐明为影响电池性能开辟了全新的途径。该成果已发表在《自然材料》杂志上。

金属的微观结构(即几纳米至几微米级的内部结构)是决定其电化学性能的关键。对于当今技术上应用的大多数金属，这种结构已被广泛研究，在许多情况下，可以通过有针对性地控制微观结构来实现特定性能。

然而，电池中使用的碱金属锂和钠的情况则有所不同。这是因为这些金属的化学反应性非常强。在几乎所有环境下，它们的表面几乎都会立即被厚厚的反应层覆盖，因此无法确定它们的微观结构。

但现在，大学、加州大学圣巴巴拉分校(美国)和滑铁卢大学(加拿大)材料科学和化学领域的研究人员首次展示了一种确定电化学沉积锂和钠金属微观结构的方法。

为此，吉森大学物理化学研究所的Jürgen Janek教授领导的团队，在极低温度和惰性气体条件下开发了一系列制备和分析步骤，最终利用所谓的电子背散射衍射确定局部金属结构。

通过这种方法，研究小组能够展示厚度高达 100 微米的锂和钠电化学生长金属层的结构。

“所生产层的晶粒尺寸令我们感到惊讶，其结果为生长机制提供了重要的见解，”同样是 POLiS(后锂能存储)卓越集群成员的 Janek 说道。

“有关钠金属的发现也将有力地促进 POLiS 的工作，该机构的任务包括探索钠电池。”

固态电池的发展与人们对特别强大、安全且持久的电化学储能系统的期望有关。陶瓷固体电解质的使用可以使锂和钠金属电极应用于高性能电池。

然而，使用金属电极仍然存在挑战，特别是由于金属在电化学循环过程中很容易变形。这会影响充电和放电过程。

在电池放电过程中，金属中会形成孔隙，而在充电步骤中的金属沉积过程中，通常会形成称为树枝状的微观金属结构，这可能会导致短路。

为了追求更高效的固态电池，以便与传统的锂离子电池竞争，锂(或钠)金属理想情况下应该仅在第一次充电步骤中形成，以避免与高反应性碱金属箔相关的处理困难。

大约 10 年来，固态电池的发展一直受到全球密集研究的推动，而 Janek 教授领导的吉森团队是世界领先的研究团队之一。多年来，Janek 教授与圣巴巴拉和滑铁卢的团队进行了成功的合作，后者也参与了这项研究。

“对锂和钠的微观结构进行成像被认为非常具有挑战性，而且很少有报道——即使有，也只是从简单的箔表面进行。

Janek 说：“由于细致的前期工作，我们研究的两位主要作者成功地切割了锂和钠电极，准备了它们的横截面，并使用电子背散射衍射对其进行了成像。”

“这一成功只有通过大学各位专家的持续合作以及材料研究中心的卓越设备才有可能实现。与圣巴巴拉和滑铁卢同事的合作对于正确的材料选择也至关重要。”