锂金属电池的界面行为的观测

近日，康奈尔大学的LenaF.Kourkoutis（通讯作者）课题组采用冷冻电镜技术观察到了锂金属电池中界面膜和枝晶的纳米级结构并以此全面深入地理解了发生在该界面的化学过程。

固体-液体界面在许多化学、物理和生物过程中扮演着至关重要的角色，但由于缺少可同时对固体和液体组分适用的高分辨表征手段，至今仍然阻碍着科研人员对这一界面进行全面深入的研究。例如在锂金属的枝状沉积和固体-电解质界面膜（SEI）的形成是影响锂金属电池性能和安全的决定性因素，然而直接观测这些界面却存在很大的难度，致使围绕界面行为展开的研究一直是人们争论的热点。

该研究通过快速冷冻液体成分（玻璃化液体电解质），获得了自然状态下锂金属电池中的界面膜结构，之后再利用冷冻扫描透射电镜技术（cryo-STEM）可对这些界面进行结构和化学图谱（mapping）表征。实验表征结果发现，在锂金属电池负极共存着两种不同类型的枝状物，其中一种拥有外延的SEI层，而另一种枝状物则由锂的氢化物组成，这一不同枝状物的共存现象可能为电池容量减少的机理解释提供有力的证据支持。该文也阐明了冷冻电镜技术在探测功能器件界面过程的研究中具有潜在的应用价值。2018年8月15日，相关成果以题为“Cryo-STEMmappingofsolid–liquidinterfacesanddendritesinlithium-metalbatteries”的文章在线发表在Nature上。

图1通过冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）对枝状物进行形貌表征

图2枝状物及其界面层的结构和元素构成

图3枝状物附近的碳键环境分析

图4枝状物组分的测定和图谱分析

文献链接：Cryo-STEMmappingofsolid–liquidinterfacesanddendritesinlithium-metalbatteries（Nature,2018,DOI:10.1038/s41586-018-0397-3）