崔屹團隊發(fā)Science：為電池拍攝高分辨率“逼真照片”，首次在納米尺度觀察到電池界面的溶脹現(xiàn)象

盡管電池的表界面性質(zhì)對于電池性能有重要影響，但至今科學家們對處于電解液環(huán)境的真實電池界面微觀結構與性質(zhì)并沒有清晰的認識。

近期，斯坦福大學崔屹教授、趙華教授團隊聯(lián)合，用薄膜玻璃化的方法保存了電解液狀態(tài)下的本征電池材料和界面，并進行了高分辨解析。他們首次為電池表界面拍攝高分辨率“逼真照片”，并在納米尺度（5-10 納米）觀察到電池界面存在溶脹現(xiàn)象。

1 月 6 日，相關論文以《金屬鋰電池固電解質(zhì)界面相的溶脹現(xiàn)象》（Capturing the swelling of solid-electrolyte interphase in lithium metal batteries）為題發(fā)表在 Science[1]。

在以往的電池或電化學模型里，大家普遍認為界面是一種固態(tài)中間相，很少討論到液相存在的可能，該團隊首次觀察到并提出了固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）相中存在液相的溶脹現(xiàn)象，在經(jīng)典電化學模型基礎之上提出了全新的理解。

研究人員通過淬冷的方式保存電池表界面在電解液環(huán)境下的真實狀態(tài)，通過對表界面進行納米級空間分辨率成像，發(fā)現(xiàn)并報道了電池界面的溶脹現(xiàn)象，分析了不同電解液的化學特性對界面溶脹性質(zhì)的影響。并且，將電池性能之間的關系進行了對比實驗。

除了通過電子顯微鏡在納米尺度上對于電池界面進行高分辨成像，該團隊還在相對宏觀尺度上，使用原子力顯微鏡也證明了電池界面溶脹現(xiàn)象的存在。

該論文第一作者、斯坦福大學材料科學與工程系博士生張澤文表示，通過用非常小的針尖去戳界面，可以對比有電解液和沒有電解液環(huán)境下的電池界面力學行為。在有電解液的環(huán)境下，電池界面的楊氏模量顯著低于干燥狀態(tài)，也佐證了界面溶脹現(xiàn)象的存在。

在該研究中，在納米尺度的真實還原是最大的難點。研究人員為了保證樣品的真實狀態(tài)，必須在幾十毫秒時間內(nèi)就完成整個凍結過程。

張澤文表示，“我們不能把整個電池在直接凍起來，因為它太大了，即使使用冷卻速度最快的冷卻劑也沒有辦法快速完成凍結的過程?！?/span>

獲得樣品后，要把液體和固體都“凍住”，并且要保證樣品足夠薄使得它能夠在冷凍電鏡下的對電子束透明進行透射成像。該團隊用吸墨紙將多余液體吸出，通過液氮將電解液薄膜完好地保存。

從技術手段上來說，可通過離子束的刻蝕的方式，得到非常薄的樣品。但是，該團隊最終想在沒有外力或化學的加工方式下，得到 200 納米以下尺度的樣品，以確認保持它最真實的原生狀態(tài)。

總的來說，通過理解電池材料的物理化學結構的性質(zhì)，對電池微觀納米機構或電解設計提供新的指導思路，從而實現(xiàn)更高效的電池設計。并且，為該領域的科學家提供了一種研究電池的新工具。

對于該研究的提升空間，該團隊最終想看到真實的電池工作環(huán)境下的三維結構與化學組成，對于整個電池運行過程進行全方位納米尺度甚至原子尺度的還原。

對此，張澤文解釋道：“看到的樣品相當于全方位成像來理解整個過程，包含了更多結構和化學成分的解析。”

該團隊希望，未來能夠深入理解電池運行過程中的微觀結構和化學變化機制，從而與宏觀性質(zhì)進行聯(lián)系，提供更好的電池失效機理理解并指導高性能電池的理性設計。

張澤文是 95 后，他本科畢業(yè)于清華大學材料學院，研究方向是鋰硫電池的電池正極設計和反應動力學。簡單來說，通過材料和表界面設計構建更高能量密度的電池。

現(xiàn)在為斯坦福大學材料科學與工程系博士生，師從崔屹教授，研究聚焦于表征電池關鍵界面微納結構與組成指導電池設計。

對于未來發(fā)研究方向，張澤文希望在能源材料或儲能的大背景下繼續(xù)做研究，會把更前沿的交叉學科的知識應用起來，形成電池設計的新路徑。

“把各個不同的封閉領域打通，然后設計到材料的合成，在通過測試到最終的表征理解，然后再通過這些過程反推設計，相當于不斷重復、迭代的過程?！睆垵晌恼f。

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參考：
1.Zewen Zhang et al. Science 375,  6576 , 66-70（2022）.
DOI: 10.1126/science.abi8703