第一作者：Michael J. Zachman
通訊作者：Lena F. Kourkoutis
通訊單位：康奈爾大學(xué)（美國）
研究亮點(diǎn)：
1.發(fā)展了冷凍電鏡技術(shù)對(duì)鋰金屬電池固液界面的成像。
2.發(fā)現(xiàn)了鋰金屬負(fù)極存在兩種枝晶，其中一種含氫化鋰。
對(duì)于高能量密度鋰金屬電池而言，金屬鋰表面的枝晶沉積過程以及固液界面SEI層的形成，是影響電池安全性和電化學(xué)性能的關(guān)鍵。
然而，對(duì)于發(fā)生在固液界面的這兩個(gè)過程的機(jī)理卻一直有所爭(zhēng)議。如何更直接地剖析這些過程和機(jī)理，是解鎖電池枝晶和 SEI層的難點(diǎn)所在。
有鑒于此，美國康奈爾大學(xué)Lena F. Kourkoutis課題組通過冷凍電鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰金屬電池固液界面以及枝晶的直接觀察。
圖1. 枝晶形貌表征
研究人員對(duì)液體電解質(zhì)進(jìn)行玻璃化冷凍之后，電池內(nèi)部固液界面的基本結(jié)構(gòu)和原始狀態(tài)隨即保存下來。然后，研究人員就可以通過冷凍掃描隧道顯微鏡對(duì)界面進(jìn)行化學(xué)和結(jié)構(gòu)的高分辨成像。
研究發(fā)現(xiàn)，在鋰金屬負(fù)極，同時(shí)存在2種類型的枝晶，一種枝晶具有拓展的SEI層，由金屬鋰組成，而另一種枝晶中竟然意外發(fā)現(xiàn)氫化鋰，而不是鋰金屬，這可能是電池容量降低的重要原因！
總之，這項(xiàng)研究為鋰電池失效機(jī)理的研究加深了理解，也進(jìn)一步加強(qiáng)了冷凍電鏡在材料化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，讓冷凍電鏡這個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)給物理學(xué)家的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)能夠更加名副其實(shí)。
圖2.枝晶和SEI層表征
圖3.枝晶附近碳成鍵環(huán)境分析
圖4. 枝晶成分分析
參考文獻(xiàn)：
MichaelJ. Zachman, Lena F. Kourkoutis et al. Cryo-STEM mapping of solid–liquidinterfaces and dendrites in lithium-metal batteries. Nature 2018, 560, 345-349.
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0397-3
