原位TOF-SIMS揭示固态钠离子电池中金属阳极-固体电解质界面的动态演化机制

为解决固态钠离子电池（SSIBs）中金属阳极与固体电解质（SE）界面反应机制不明的难题，帝国理工学院团队创新性地开发了原位飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）技术，首次在真空环境下实时观测钠金属（Na+）的动态扩散行为及界面相（如Na2ZrO3）的形成过程。研究发现电化学老化可调控Na+均匀扩散并抑制枝晶生长，为设计高稳定性固态电池界面提供了新思路。该成果发表于《Cell Reports Physical Science》。

　　

在全球能源转型背景下，锂资源短缺和安全性问题促使固态钠离子电池（SSIBs）成为下一代储能技术的有力竞争者。然而，金属钠阳极与固体电解质（如NASICON型Na_3.4Zr₂Si_2.4P_0.6O₁₂）的界面反应机制长期不明，传统表征依赖破坏性“事后分析”，难以捕捉动态化学过程。帝国理工学院Sivakkumaran Sukumaran团队突破技术瓶颈，首次利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）的氩气团簇离子束（GCIB-Ar⁺）实现真空环境下原位观测，相关成果发表于《Cell Reports Physical Science》。

研究团队通过优化TOF-SIMS的二次离子束参数，发现GCIB-Ar⁺可避免Na⁺迁移导致的表面耗尽效应，获得真实界面化学信息。结合电子 flood gun 和 Bi⁺ 初级离子束构建“伪电池”系统，模拟对称电池的充放电循环，实时追踪钠金属动态沉积行为。

控制钠离子迁移
通过对比不同离子束（Cs⁺、O₂⁺、Ar⁺）的深度剖面，证实仅GCIB-Ar⁺能保持NASICON中Na⁺的均匀分布，为后续界面研究奠定基础。

原位钠金属沉积
非老化样品中Na⁺呈现非均匀沉积，形成梯形电极结构并伴随枝晶特征；而电化学老化样品因预先形成离子传输通道，实现均匀层状沉积。光学成像显示外部偏压（40V/-40V）可定向调控Na⁺沉积位置。

界面化学演化
深度剖析发现循环过程中ZrO⁺/Zr⁺信号增强而Si⁺减弱，表明NASICON分解形成以Zr氧化物为主的界面相（推测为Na₂ZrO₃）。三维重构显示该界面相为非自限制型，最终达到与Na金属的动态平衡。

这项研究开创了SSIBs界面原位表征新范式，揭示电化学老化通过构建离子传输通道抑制枝晶的机制，为优化固态电池界面设计提供理论依据。技术方案可拓展至锂电、高温电池体系失效分析，推动下一代储能器件开发。