冷冻电镜(Cryo-EM),是2017年诺贝尔化学奖获奖技术。因为冷冻电镜可以将样品在超低温冷冻,特别适合生物大分子等电子束敏感材料的观察,因此在生物大分子的结构表征中大放异彩,将生命科学相关研究领域带入了一个崭新的时代。 在2017年该项诺贝尔化学奖颁奖时,冷冻电镜在化学领域应用还较少。有人戏称,冷冻电镜是发给了物理学家的诺贝尔化学奖,奖励他们帮助了生物学家,诺贝尔理综奖果然名不虚传。 拿了化学奖,还是应该干点化学活的。在颁奖不久,斯坦福大学的崔屹教授就在Science报道了冷冻电镜获得首张原子级锂金属枝晶图像(Science, 2017, 358, 506-510, DOI: 10.1126/science.aam6014)。
室温TEM图像(左),锂枝晶被电子束熔出孔洞。而低温电镜中,可稳定成像(右)。图来自Science, 2017, 358, 506.锂电池中,锂枝晶(dendrites)在生长过程中会刺破电池隔膜从而引发短路,甚至起火。而电极与电解液经常会形成固体-电解质界面膜(solid-electrolyte interphase ,SEI),也被认为是形成锂枝晶的前躯体。因此理解这两种结构的性质,对改善锂电池的安全性以及性能有着巨大的推动作用。因为锂的活泼性质以及固液界面的复杂性,常规的表征技术,对锂电池研究经常无从入手。 这两个关键结构的详细表征就是今天这篇nature文章想要回答的主要内容。 而最新上线的Nature中,报道了来自康奈尔大学研究团队的成果,他们利用冷冻技术与其它技术结合,对锂电池的电解质固液界面进行了详尽的形貌以及化学成分分析。揭示了固液电池界面的纳米尺度细节(Nature 560, 345–349 (2018), doi:10.1038/s41586-018-0397-3)。 全文亮点在锂-金属电池工作时,进行猝冷,使得电解质依然保持在电极表面, 相当于得到真实电池工作时的原始状态下的样本。 将冷冻技术与其它技术集成,对该锂金属电池的枝晶结构(dendrite)以及固体电解质界面膜 ( solid electrolyte interphase,SEI )涂层进行了详细表征,相关技术有冷冻聚焦离子束(cryo-focused ion beam, cryo-FIB),以及冷冻STEM(cryo-scanning transmission electron microscopy, cryo-STEM)以及冷冻能量损失谱(cryo-EELS)技术。 对电解质--锂电极附近枝晶与SEI层的形貌,化学组成以及空间分布得到了完整的信息。 发现在锂负极共存有两种枝晶, type1 和 type2. 其中一种具有很宽的SEI层结构,为氧化的金属锂,另一种枝晶却由氢化锂组成。
要点: 利用EELS比对不同化合物以及两者枝晶的O和Li的K边结构。
发现 type 1 主要是部分氧化的金属锂。而type 2 是氢化锂。
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