探讨冷冻电镜技术在锂电研发领域的应用

锂电池中，锂枝晶(dendrites)在生长过程中会刺破电池隔膜从而引发短路，甚至起火。而电极与电解液经常会形成固体-电解质界面膜(solid-electrolyteinterphase，SEI)，也被认为是形成锂枝晶的前躯体。

冷冻电镜(Cryo-EM)，是2017年诺贝尔化学奖获奖技术。因为冷冻电镜可以将样品在超低温冷冻，特别适合生物大分子等电子束敏感材料的观察，因此在生物大分子的结构表征中大放异彩，将生命科学相关研究领域带入了一个崭新的时代。

斯坦福大学的崔屹教授就在Science报道了冷冻电镜获得首张原子级锂金属枝晶图像(Science,2017,358,506-510,DOI:10.1126/science.aam6014)。

室温TEM图像(左)，锂枝晶被电子束熔出孔洞。而低温电镜中，可稳定成像(右)。图来自Science,2017,358,506.

锂电池中，锂枝晶(dendrites)在生长过程中会刺破电池隔膜从而引发短路，甚至起火。而电极与电解液经常会形成固体-电解质界面膜(solid-electrolyteinterphase，SEI)，也被认为是形成锂枝晶的前躯体。因此理解这两种结构的性质，对改善锂电池的安全性以及性能有着巨大的推动作用。因为锂的活泼性质以及固液界面的复杂性，常规的表征技术，对锂电池研究经常无从入手。

这两个关键结构的详细表征就是今天这篇nature文章想要回答的主要内容。

在锂-金属电池工作时，进行猝冷，使得电解质依然保持在电极表面,相当于得到真实电池工作时的原始状态下的样本。

将冷冻技术与其它技术集成，对该锂金属电池的枝晶结构(dendrite)以及固体电解质界面膜(solidelectrolyteinterphase，SEI)涂层进行了详细表征，相关技术有冷冻聚焦离子束(cryo-focusedionbeam,cryo-FIB)，以及冷冻STEM(cryo-scanningtransmissionelectronmicroscopy,cryo-STEM)以及冷冻能量损失谱(cryo-EELS)技术。

对电解质--锂电极附近枝晶与SEI层的形貌，化学组成以及空间分布得到了完整的信息。

发现在锂负极共存有两种枝晶,type1和type2.其中一种具有很宽的SEI层结构，为氧化的金属锂，另一种枝晶却由氢化锂组成。

图文快解

图1：利用冷冻聚焦离子束(cryo-focusedionbeam,cryo-FIB)对枝晶形貌表征

图2：type1和type2枝晶的结构以及元素分析

图3：利用电子能量损失谱技术分析枝晶附近的碳环境与空间分布

图4：枝晶化学组成的确认与空间成像(mapping)