固體-液體界面在許多化學、物理和生物過程中扮演著至關重要的角色，但由于缺少可同時對固體和液體組分適用的高分辨表征手段，至今仍然阻礙著科研人員對這一界面進行全面深入的研究。例如在鋰金屬的枝狀沉積和固體-電解質(zhì)界面膜(SEI)的形成是影響鋰金屬電池性能和安全的決定性因素，然而直接觀測這些界面卻存在很大的難度，致使圍繞界面行為展開的研究一直是人們爭論的熱點。

【成果簡介】

近日，康奈爾大學的LenaF.Kourkoutis(通訊作者)課題組采用冷凍電鏡技術觀察到了鋰金屬電池中界面膜和枝晶的納米級結構并以此全面深入地理解了發(fā)生在該界面的化學過程。該研究通過快速冷凍液體成分(玻璃化液體電解質(zhì))，獲得了自然狀態(tài)下鋰金屬電池中的界面膜結構，之后再利用冷凍掃描透射電鏡技術(cryo-STEM)可對這些界面進行結構和化學圖譜(mapping)表征。實驗表征結果發(fā)現(xiàn)，在鋰金屬電池負極共存著兩種不同類型的枝狀物，其中一種擁有外延的SEI層，而另一種枝狀物則由鋰的氫化物組成，這一不同枝狀物的共存現(xiàn)象可能為電池容量減少的機理解釋提供有力的證據(jù)支持。該文也闡明了冷凍電鏡技術在探測功能器件界面過程的研究中具有潛在的應用價值。2018年8月15日，相關成果以題為“Cryo-STEMmappingofsolid–liquidinterfacesanddendritesinlithium-metalbatteries”的文章在線發(fā)表在Nature上。

【圖文導讀】

圖1通過冷凍聚焦離子束(cryo-FIB)對枝狀物進行形貌表征

圖2枝狀物及其界面層的結構和元素構成

圖3枝狀物附近的碳鍵環(huán)境分析

圖4枝狀物組分的測定和圖譜分析