比起目前的鋰離子電池，鋰金屬電池可以在既定空間內(nèi)儲存更多的電荷。一場開發(fā)鋰金屬電池的競賽正在拉開序幕，以用于下一代電動汽車、電子產(chǎn)品和其他用途。但是，電池中的電解液會腐蝕鋰金屬負極的表面，在負極表面形成一層薄薄的粘性物質(zhì)，稱為固態(tài)電解質(zhì)界面，簡稱SEI。雖然SEI的形成被認為是不可避免的，但研究人員希望穩(wěn)定和控制該層生長，以充分提升電池性能。然而，到目前為止，在正常工作的電池中，SEI浸透電解質(zhì)時會是什么樣子尚不明了。
（圖片來源：SLAC）
據(jù)外媒報道，最近，美國能源部SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）和斯坦福大學（Stanford University）的研究人員，首次拍攝了該層在自然豐滿、松軟狀態(tài)下的高分辨率圖像。這是通過低溫電子顯微鏡（high-res）實現(xiàn)的，這項革命性的技術可以揭示小到原子的細節(jié)。
研究結(jié)果表明，選擇合適的電解液，可以充分減少膨脹現(xiàn)象，提高電池的性能。這給科學家們提供了一種有潛力調(diào)整并改進電池設計的新方法；同時為研究人員提供了新的工具，幫助其在日常工作環(huán)境中研究電池。
研究負責人Zewen Zhang表示，在觀察電極和電解質(zhì)之間的界面時，沒有其他技術可以達到如此高的分辨率?！把芯咳藛T想要證明，可以在這些以前無法達到的尺度上對界面進行成像，并看到這些材料在電池中的原始狀態(tài)。這種膨脹現(xiàn)象幾乎是普遍存在的，以前電池研究界未能普通認識到其作用。現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象能對電池性能產(chǎn)生明顯的影響?！?/P>
一條鋰金屬線上覆有一層SEI層，該層并被周圍的液體電解質(zhì)浸透；虛線表示該SEI層的外邊緣。除去電解液后，SEI變干并收縮至先前一半厚度左右。（圖片來源：SLAC）
“令人興奮的”能源研究工具
低溫電子顯微鏡是電子顯微鏡的一種形式，利用電子而不是光來觀察極微小的世界。通過將樣品快速冷凍到透明的玻璃狀態(tài)，研究人員可以觀察到，在自然狀態(tài)和原子分辨率下執(zhí)行生命功能的細胞機器，以前所未有的細節(jié)揭示生物結(jié)構。
受許多生物低溫電子顯微鏡成功案例的啟發(fā)，研究人員探討，低溫電子顯微鏡能否像研究生命系統(tǒng)一樣，成為研究能量相關材料的有用工具。研究人員首先觀察的事物之一是，電池電極上的SEI層。2017年，研究人員首次公布該層的原子級圖像，以及手指狀鋰線生長圖像，這些鋰線可以刺穿電池兩部分之間的屏障，導致發(fā)生短路或火災。但是，為了拍攝這些圖像，必須將電池部件從電解液中取出來，這樣SEI就會干燥到萎縮狀態(tài)。在正常工作的電池里，其在潮濕狀態(tài)下的樣子尚不明了。
用吸墨紙進行補救
為了在潮濕的原始環(huán)境中捕捉SEI，研究人員想出了一種方法，制作并凍結(jié)非常薄的電解質(zhì)液體薄膜，其中含有微小的鋰金屬線。這為腐蝕和SEI的形成提供了一個表面。
首先，研究人員將用于保存cryo-EM樣品的金屬網(wǎng)格插入一個紐扣電池中。將其移除時，電解質(zhì)薄膜附著在網(wǎng)格內(nèi)的小圓形孔上，通過表面張力保持在適當?shù)奈恢?，剛好足夠?zhí)行剩下的步驟。
然而，這些薄膜仍然太厚，無法讓電子束穿透并產(chǎn)生清晰的圖像。研究人員提出了一個解決辦法，用吸墨紙除去多余的液體。將吸墨網(wǎng)格立即浸入液氮中，使小薄膜凍成玻璃狀，從而完美地保存SEI。這一切都發(fā)生在一個封閉的系統(tǒng)中，以保護薄膜不暴露在空氣中。
研究人員發(fā)現(xiàn)戲劇性的結(jié)果。在這些潮濕的環(huán)境中，SEI吸收了電解質(zhì)，并膨脹到原來厚度的兩倍左右。
該團隊利用其他六種不同化學成分的電解質(zhì)，反復進行這一過程。研究人員發(fā)現(xiàn)，有些電解質(zhì)產(chǎn)生的SEI層，比其他電解質(zhì)厚得多，而膨脹最大的層體，涉及最差的電池性能。Zhang表示：“目前，SEI的膨脹行為和性能之間的聯(lián)系，適用于鋰金屬負極。作為普遍性規(guī)則，這應該也適用于其他金屬負極?！?BR> 該團隊還使用原子力顯微鏡（AFM）的超細尖端來探測SEI層的表面，并驗證其在潮濕、膨脹的狀態(tài)下比在干燥狀態(tài)下更松軟。
自2017年的論文揭示低溫電子顯微鏡可用于觀察能源材料以來，其已被用于放大太陽能電池材料，以及被稱為金屬-有機框架的籠狀分子，這些分子可用于燃料電池、催化和存儲氣體。
研究人員希望，下一步能找到一種方法，以3D方式對這些材料進行成像，并在其仍在電池內(nèi)時成像，以獲得最逼真的圖像。
（轉(zhuǎn)載）
