冷凍電鏡顯微圖，揭示鋰電池爆炸之謎

對于鋰等材料來說，無法使用投射電子顯微鏡來查看枝晶原子級別的結果。和生物材料類似，當在室溫下使用TEM時，通過電子束撞擊，枝晶邊緣會卷曲甚至熔化。參與此次工作的斯坦福大學的博士生Yanbin Li稱，“透射電鏡樣品的制備是在空氣中進行的，但鋰金屬在空氣中將很快被腐蝕”，“每當我們試著用高倍電子顯微鏡觀察金屬鋰時，電子就會在枝晶中‘鉆洞’，甚至把它完全熔化。”

參與此項研究的斯坦福大學博士生Yanbin Li 稱，“這就像在陽光下用放大鏡照樹葉一樣。但是，如果你能把葉子冷卻的話，這個問題將迎刃而解：你把光聚焦在葉子上，熱量同樣會散失，葉子也不會受到破壞。這就是我們用冷凍電子顯微鏡所能實現的效果，用到電池材料的成像上，差異非常明顯。”

所以，冷凍電子顯微鏡不僅使得生物化學進入一個新的時代，而且還使科學家首次在原子級別看到了鋰枝晶的完整結構。研究人員還發現，在碳酸鹽基電解質中的枝晶沿著一種特定方向生長為單晶納米線。其中一些會在“生長”過程中出現打結的情況，但它們的晶體結構仍然完整的。

另一位參與此項研究的斯坦福大學博士生yuzhang li稱，還能看到固體電解質界面膜（SEI），同時還揭示了在不同電解質中形成的不同的SEI納米結構。因為當電池充電和放電時，同樣的涂層也會在金屬電極上形成，所以控制它的產生和穩定對于電池的高效利用至關重要。

SLAC發布的新聞稿顯示，在顯微鏡下，研究人員使用不同的技術來觀察電子從枝晶的原子中彈出的方式，揭示晶體和其固體電解質界面膜涂層中單個原子的位置。當他們向其中添加通常用于提高電池性能的化學物質時，固體電解質界面膜涂層的原子結構變得更加有序，而這將有助于解釋為什么添加劑會起到作用。

“我們很興奮，這是我們第一次能夠獲得如此詳盡的枝晶的圖像，也是我們第一次看到固體電解質界面膜層的納米結構。”Yanbin Li說，“這個工具可以幫助我們了解不同的電解質分別有什么樣的作用，以及為什么某些電解質的效果比其它的要好。”

從這些實驗中觀察到的相關數據可以實現對電池故障機理更進一步地了解。盡管此工作是以鋰金屬為例來證明cryo-EM的實用性，但是這種方法也可能會擴展到涉及光束敏感材料（如鋰化硅或硫）的其他研究。該研究團隊還表示，他們計劃將著重于更多地了解固體電解質界面膜層的化學屬性和結構。