我校物质学院崔屹教授运用冷冻电镜技术首次观察敏感性的电池材料原子结构
文章来源:SPST
发布日期:2017-11-14
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近日,我校物质科学与技术学院特聘教授崔屹团队首次运用冷冻电镜技术成功观察到敏感性的电池材料原子结构。10月27日,相关科研成果以“Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo-electron microscopy”为题发表在Science杂志上。崔屹教授所在美国斯坦福大学的团队主导该项研究,团队中还包括1997年诺贝尔物理奖得主朱棣文(Steven Chu)教授。我校作为参与单位,物质学院助理教授于奕参与此项研究,崔屹教授为论文通讯作者。


一个典型的锂离子电池由两端正负极、中间高分子隔膜以及有机液体电解质构成。电池使用的过程也就是一个动态电化学反应过程。要想从根本上深入理解复杂的充放电过程,就需要对组成电池的这些基本组元的微观结构进行探究。然而结构分析上的问题在于电极、电解质以及电极和电解质界面上的固体电解质中间相(SEI)都对电子束很敏感,难以在常规的透射电镜下观察其本征结构。

另外,从应用的层面看,金属锂电极表面在充放电过程中沉积的锂枝晶一直是锂离子电池的最大安全隐患,形成后会持续生长,以至于穿透电池的隔膜,造成电池内部短路,引起电池故障甚至起火燃烧。这个问题也一直是材料科学领域的研究热点。如何从微观结构上,特别是原子尺度的层面去认识和研究锂枝晶形成过程也成为一直难以突破的科学问题。


前不久揭晓的2017年诺贝尔化学奖颁给了冷冻电镜(Cryo-EM)技术。冷冻电镜目前主要应用于生物学领域,通过超低温冷冻制样技术结合电子显微来解析大分子样品的晶体结构。崔屹教授及其合作者们开创性地将生物冷冻制样技术嫁接到材料科学领域,克服了电池材料对电子束辐照敏感的问题,首次实现了锂枝晶及其表面SEI膜的原子分辨率成像。


崔教授团队经过大量实验,找到了使用冷冻技术研究电池材料样品的方法。首先,在标准的电池条件下,通过电化学过程将金属锂沉积在铜网表面,然后立即用液氮将样品冻结,并采用生物冷冻制样的办法转移样品至透射电镜中,维持在低温下进行低电子剂量曝光的实验观察。结合像差校正电镜亚埃尺度的分辨率,观察到了锂枝晶的原子结构,并研究了其生长取向以及生长过程中发生扭曲的情况。另外,使用不同的电解液,对比观测了不同的SEI膜的组成和结构。该研究为进一步理解和控制锂枝晶、SEI膜的形成提供了有力依据。


“这非常令人兴奋,也带来了令人瞩目的机会。”崔屹教授说,“冷冻电镜可以帮助我们研究那些脆弱且不稳定的电池材料,分辨率高,而且还可以保留它们在真实电池中原始状态。金属锂只是其中一个非常具有挑战性的例子。”


该论文通讯作者崔屹教授为上科大物质学院特聘教授,物质学院于奕助理教授参与该项研究,上科大为第四完成单位。



论文链接:Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo–electron microscopy

Science, 2017, 358, 506-510, DOI: 10.1126/science.aam6014



左图:室温下,空气接触以及电镜里的电子束辐照会破坏锂枝晶的原始结构

右图:运用冷冻技术,锂枝晶的形貌得以完好保存和成像


冷冻技术下像差校正电镜拍摄到的原子分辨率锂金属图像