隨著便攜式電子設備及電動汽車的快速發(fā)展，人們除了追求鋰電池的容量更大、充放電速度更快外，更為關心的是如何保障鋰電池使用的安全性。因為時不時發(fā)生的鋰電池爆炸等事件，免不得讓人神經(jīng)緊繃。如何解決鋰電池安全性問題的前提是，科學家盡可能深入和全面地了解鋰電池爆炸的原因。

目前科學層面的解釋是電極表面鋰沉積會形成“枝晶”（dendrites），而且它會繼續(xù)生長，從而造成電池內(nèi)部短路引起電池故障或可能引發(fā)火災。但如何從原子結構層面去認識和研究，進而去找出解決問題的方案，在過去缺少有效的技術手段。

本月剛剛斬獲2017年諾貝爾化學獎的冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術，就為此提供了有力的技術支撐。斯坦福大學、美國能源部直屬的SLAC國家加速器實驗室的教授崔屹、1997年諾貝爾物理學獎得主朱棣文等人的研究團隊，就通過冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）捕捉到了首張原子級鋰金屬枝晶的圖像。該研究成果已于當?shù)貢r間10月27日發(fā)表在國際學術期刊《Science》上。

上述圖像顯示，每個鋰金屬枝晶是一個長條狀，且成型完美的六面晶體。而此前通過電子顯微鏡鏡觀察到的只是不規(guī)則形狀的晶體。崔屹稱，“研究成果非常令人激動，也為相關研究打開了全新的局面！”

冷凍電子顯微鏡，顧名思義就是應用冷凍固定術，在低溫下使用透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope，簡稱TEM）觀察樣品的顯微技術。冷凍電子顯微鏡是重要的結構生物學研究方法，是獲得生物大分子結構的重要手段。

因為圖像是理解機制的關鍵，科學的突破往往建立在采用肉眼對目標成功獲取其視覺構像。長期以來，人們認為TEM不適合觀察生物分子，因為強大的電子束會破壞生物材料。然而，冷凍電鏡的產(chǎn)生，讓研究者能將生物分子“凍起來”，前所未有地觀察分析運動過程，這些表征對于生命化學的理解和藥物學的發(fā)展都有決定性影響。正因如此，冷凍電鏡也將今年諾貝爾化學將納入麾下。

左圖：在室溫下的TEM圖像中，鋰的枝晶因暴露在空氣中而被腐蝕，電子束也在上面熔出大量孔洞；右圖：cryo-EM下的圖像，冷凍環(huán)境保存了其原來的狀態(tài)，表明其有明確界面的晶體納米線。

對于鋰等材料來說也一樣，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YanbinLi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YanbinLi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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，在碳酸鹽基電解質(zhì)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(xiàn)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yuzhangli稱，還能看到固體電解質(zhì)界面膜（SEI），同時還揭示了在不同電解質(zhì)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(chǎn)生和穩(wěn)定對于電池的高效利用至關重要。

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利用cryo-EM，科學家能夠觀察到電子如何從枝晶中的原子中彈出，進而揭示單個原子的位置（左圖）。科學家甚至能夠測量原子之間的距離（右上圖），而原子間距恰好能表明它們是鋰原子（右下圖）。

SLAC發(fā)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(zhì)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(zhì)時，固體電解質(zhì)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(zhì)界面膜層的納米結構。”YanbinLi說，“這個工具可以幫助我們了解不同的電解質(zhì)分別有什么樣的作用，以及為什么某些電解質(zhì)的效果比其它的要好。”

從這些實驗中觀察到的相關數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)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(zhì)界面膜層的化學屬性和結構。