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低温电子显微镜下的锂金属枝晶
《科学》杂志刊文称，斯坦福大学和美国能源部SLAC的国家加速器实验室的研究人员已经首次成功捕捉到被称为枝晶的原子级别影像。枝晶可以穿透电池室之间的屏障，引发短路或者起火。在开发能使电动汽车、移动电话、笔记本电脑等设备运行更长时间的新型电池的过程中，这已经成为巨大障碍。
这项研究首次实现了通过低温电子显微镜(或称低温电镜)对电池内部构造的观测。最新得到的图片显示，每个锂金属枝晶均是一个细长且构造精致的六边形晶体，而不是之前的电子显微镜观察到的不规则凹坑形态。研究人员谈到，通过低温电镜在原子层面进行观测使他们能在最基本的层面了解电池及其组件的运作机制，并找到笔记本电脑、移动手机、飞行器以及电动汽车使用的高能电池间歇失效的原因。
SLAC和斯坦福的教授、斯坦福材料与能源科学研究所研究员，崔毅（音译）说道：“通过低温电镜，你能够在化学不稳定材料的原始状态下进行观测。该技术能使你在高分辨率下观察到它在电池中的状态。”崔教授讲道，“这项技术能用于各种电池材料。我们所研究的锂电池虽然只是其中一种，但这也是最具有挑战性的一种。”
通过低温电镜，研究人员能够观测到电子在枝晶原子中的运动方式和单个原子的位置（左图）。此外，他们甚至可以测量原子之间的间距（右图）。根据原子间距，图中原子为锂原子。
在这项研究中，该团队在斯坦福大学的药学院里使用一台冷冻电镜设备，研究了数千种用各种电解质处理后的锂电池枝晶。他们不仅观察了枝晶的金属部分，还观察了一种称为固态电解质界面（SEI）的表层。SEI会在枝晶与电解质反应过程和电池的金属电极充-放电循环中形成。监控SEI的形成与稳定性，对于电池运行的效率至关重要。出乎他们意料的是，枝晶是结晶态的纳米线，其生长具有特定方向。虽然部分枝晶在发育过程中会出现扭结，其晶体结构却能保持惊人的完整性。
实验中，他们采用了一种不同的技术来观测电子脱离枝晶原子的情况，从而揭示晶体和SEI表层中单独原子的位置。当他们加入了一种普遍用于增强电池性能的化学试剂后，SEI表层的原子结构变得更加有序。他们认为这有助于解释该外加剂能够起作用的原因。“对此，我们感到非常激动。这是我们首次能够获得枝晶的详细照片，也是我们首次观察到SEI表层的纳米结构。”斯坦福大学研究生李彦斌说道，“这项技术能够帮助我们了解不同电解质的作用以及其中一种优于另外一种的原因。”
研究人员表示，在今后的工作中，他们计划着重研究SEI表层的化学性质与结构。
参考文献："Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo-electron microscopy," Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi1126/science.aam6014
科界原创
编译：雷鑫宇 编辑：张梦 程建兰
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