利用冷冻电镜观测电池材料和界面原子结构技术揭密

【背景介绍】

冷冻电镜(Cryo-EM)，是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术。可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷金/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台（温度可至-185℃）即可进行观察。其中，快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态，减少枝晶的产生，从而不影响样品本身结构，冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察。比较经典的锂离子电池由负极（阳极），正极（阴极），聚合物隔板和有机液体电解质构成。虽然实际中每个电池组件都是宏观的，但很多时候需要在微观，纳米和原子尺度上研究，以探索电池的更多性能。透射电子显微镜（TEM）虽然可用于研究电池材料，但成像仅限于在电子束下具有稳定性的样品。而且透射电子显微镜研究在操作后不能保持光束敏感性电池材料的原始状态，这种材料只有在低温条件下才会保持原始状态。

【成果简介】

北京时间2017年10月27日，Science在线发表了美国斯坦福大学崔屹（通讯作者）团队题为“Atomicstructureofsensitivebatterymaterialsandinterfacesrevealedbycryo–electronmicroscopy”的文章，继冷冻电镜获得诺贝尔奖后，应用冷冻电镜的又一力作。理论上，可以在原子尺度上将单个锂金属原子及其界面分解。崔屹团队实现了利用冷冻电镜观测电池材料和界面原子结构，观察到碳酸盐基电解质中的枝晶沿着<111>（优先），<110>或<211>方向生长为单晶纳米线。这些生长方向可能会发生变化，但没有观察到晶体缺陷。此外，团队还揭示了在不同电解质中形成的不同的SEI纳米结构。这项工作提供了一种简单的方法在原子尺度上保留和成像光束敏感性电池材料的原始状态，揭示其详细的纳米结构。从这些实验中观察到的相关数据可以实现对电池故障机理的完整了解。尽管此工作以Li金属为例来证明cryo-EM的实用性，但是这种方法也可能会扩展到涉及光束敏感材料（如锂化硅或硫）的其他研究。

【图文导读】

图1通过cryo-EM保留和稳定Li金属原始状态

图2Li金属枝晶的原子级分辨率TEM