利用冷凍電鏡觀測電池材料和界面原子結構技術揭密

冷凍電鏡(Cryo-EM)，是用于掃描電鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸技術。可實現筆直觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料等。樣品經過超低溫冷凍、斷裂、鍍膜制樣（噴金/噴碳）等解決后，通過冷凍傳輸系統放入電鏡內的冷臺（溫度可至-185℃）即可進行觀察。其中，快速冷凍技術可使水在低溫狀態下呈玻璃態，減少枝晶的萌生，從而不影響樣品本身結構，冷凍傳輸系統保證在低溫狀態下對樣品進行電鏡觀察。比較經典的鋰電池由負極（陽極），正極（陰極），聚合物隔板和有機液體電解質構成。雖然實際中每個電池包件都是宏觀的，但很多時候需要在微觀，納米和原子尺度上研究，以探索電池的更多性能。透射電子顯微鏡（TEM）雖然可用于研究電池材料，但成像僅限于在電子束下具有穩定性的樣品。而且透射電子顯微鏡研究在操作后不能保持光束敏感性電池材料的原始狀態，這種材料惟有在低溫條件下才會保持原始狀態。

【成果簡介】

北京時間2017年10月27日，Science在線發表了美國斯坦福大學崔屹（通訊作者）團隊題為“Atomicstructureofsensitivebatterymaterialsandinterfacesrevealedbycryo–electronmicroscopy”的文章，繼冷凍電鏡獲得諾貝爾獎后，使用冷凍電鏡的又一力作。理論上，可以在原子尺度上將單個鋰金屬原子及其界面分析。崔屹團隊實現了利用冷凍電鏡觀測電池材料和界面原子結構，觀察到碳酸鹽基電解質中的枝晶沿著<111>（優先），<110>或<211>方向生長為單晶納米線。這些生長方向可能會發生變化，但沒有觀察到晶體缺陷。此外，團隊還揭示了在不同電解質中形成的不同的SEI納米結構。這項工作提供了一種簡單的辦法在原子尺度上保留和成像光束敏感性電池材料的原始狀態，揭示其具體的納米結構。從這些試驗中觀察到的相關數據可以實現對電池故障機理的完整知道。盡管此工作以Li金屬為例來證明cryo-EM的實用性，但是這種辦法也可能會擴展到涉及光束敏感材料（如鋰化硅或硫）的其他研究。

【圖文導讀】

圖1通過cryo-EM保留和穩定Li金屬原始狀態

圖2Li金屬枝晶的原子級辨別率TEM

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