Operando monitoring of dendrite formation in lithium metal batteries via ultrasensitive tilted fiber Bragg grating sensors

光纤布拉格光栅 材料科学 枝晶(数学) 金属锂 锂(药物) 金属 纤维 光电子学 复合材料 化学 冶金 阳极 电极 医学 内分泌学 物理化学 几何学 数学 波长
作者
Xile Han,Hai Zhong,Kaiwei Li,Xiaobin Xue,Wen Wu,Nan Hu,Xihong Lu,Jiaqiang Huang,Gaozhi Xiao,Yaohua Mai,Tuan Guo
出处
期刊:Light-Science & Applications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:21
标识
DOI:10.1038/s41377-023-01346-5
摘要

Abstract Lithium (Li) dendrite growth significantly deteriorates the performance and shortens the operation life of lithium metal batteries. Capturing the intricate dynamics of surface localized and rapid mass transport at the electrolyte–electrode interface of lithium metal is essential for the understanding of the dendrite growth process, and the evaluation of the solutions mitigating the dendrite growth issue. Here we demonstrate an approach based on an ultrasensitive tilted fiber Bragg grating (TFBG) sensor which is inserted close to the electrode surface in a working lithium metal battery, without disturbing its operation. Thanks to the superfine optical resonances of the TFBG, in situ and rapid monitoring of mass transport kinetics and lithium dendrite growth at the nanoscale interface of lithium anodes have been achieved. Reliable correlations between the performance of different natural/artificial solid electrolyte interphases (SEIs) and the time-resolved optical responses have been observed and quantified, enabling us to link the nanoscale ion and SEI behavior with the macroscopic battery performance. This new operando tool will provide additional capabilities for parametrization of the batteries’ electrochemistry and help identify the optimal interphases of lithium metal batteries to enhance battery performance and its safety.
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