崔屹团队发Science：为电池拍摄高分辨率“逼真照片”，首次在纳米尺度观察到电池界面的溶胀现象

尽管电池的表界面性质对于电池性能有重要影响，但至今科学家们对处于电解液环境的真实电池界面微观结构与性质并没有清晰的认识。

近期，斯坦福大学崔屹教授、赵华教授团队联合，用薄膜玻璃化的方法保存了电解液状态下的本征电池材料和界面，并进行了高分辨解析。他们首次为电池表界面拍摄高分辨率“逼真照片”，并在纳米尺度（5-10 纳米）观察到电池界面存在溶胀现象。

动图丨一条锂金属线，上面有一层称为固态电解质界面相（SEI）层，虚线表示该 SEI 层的外边缘（来源：张泽文）

1 月 6 日，相关论文以《金属锂电池固电解质界面相的溶胀现象》（Capturing the swelling of solid-electrolyte interphase in lithium metal batteries）为题发表在 Science[1]。

通过纳米尺度的全方位成像，还原电池界面的“真实图像”

在以往的电池或电化学模型里，大家普遍认为界面是一种固态中间相，很少讨论到液相存在的可能，该团队首次观察到并提出了固态电解质界面（SEI）相中存在液相的溶胀现象，在经典电化学模型基础之上提出了全新的理解。

研究人员通过淬冷的方式保存电池表界面在电解液环境下的真实状态，通过对表界面进行纳米级空间分辨率成像，发现并报道了电池界面的溶胀现象，分析了不同电解液的化学特性对界面溶胀性质的影响。并且，将电池性能之间的关系进行了对比实验。

除了通过电子显微镜在纳米尺度上对于电池界面进行高分辨成像，该团队还在相对宏观尺度上，使用原子力显微镜也证明了电池界面溶胀现象的存在。

该论文第一作者、斯坦福大学材料科学与工程系博士生张泽文表示，通过用非常小的针尖去戳界面，可以对比有电解液和没有电解液环境下的电池界面力学行为。在有电解液的环境下，电池界面的杨氏模量显著低于干燥状态，也佐证了界面溶胀现象的存在。

在该研究中，在纳米尺度的真实还原是最大的难点。研究人员为了保证样品的真实状态，必须在几十毫秒时间内就完成整个冻结过程。

张泽文表示，“我们不能把整个电池在直接冻起来，因为它太大了，即使使用冷却速度最快的冷却剂也没有办法快速完成冻结的过程。”

获得样品后，要把液体和固体都“冻住”，并且要保证样品足够薄使得它能够在冷冻电镜下的对电子束透明进行透射成像。该团队用吸墨纸将多余液体吸出，通过液氮将电解液薄膜完好地保存。

从技术手段上来说，可通过离子束的刻蚀的方式，得到非常薄的样品。但是，该团队最终想在没有外力或化学的加工方式下，得到 200 纳米以下尺度的样品，以确认保持它最真实的原生状态。

总的来说，通过理解电池材料的物理化学结构的性质，对电池微观纳米机构或电解设计提供新的指导思路，从而实现更高效的电池设计。并且，为该领域的科学家提供了一种研究电池的新工具。

对于该研究的提升空间，该团队最终想看到真实的电池工作环境下的三维结构与化学组成，对于整个电池运行过程进行全方位纳米尺度甚至原子尺度的还原。

对此，张泽文解释道：“看到的样品相当于全方位成像来理解整个过程，包含了更多结构和化学成分的解析。”

该团队希望，未来能够深入理解电池运行过程中的微观结构和化学变化机制，从而与宏观性质进行联系，提供更好的电池失效机理理解并指导高性能电池的理性设计。

从锂硫电池研究到表征电池的关键界面

张泽文是 95 后，他本科毕业于清华大学材料学院，研究方向是锂硫电池的电池正极设计和反应动力学。简单来说，通过材料和表界面设计构建更高能量密度的电池。

现在为斯坦福大学材料科学与工程系博士生，师从崔屹教授，研究聚焦于表征电池关键界面微纳结构与组成指导电池设计。

对于未来的研究方向，张泽文希望在能源材料或储能的大背景下继续做研究，会把更前沿的交叉学科的知识应用起来，形成电池设计的新路径。

“把各个不同的封闭领域打通，然后设计到材料的合成，再通过测试到最终的表征理解，然后再通过这些过程反推设计，相当于不断重复、迭代的过程。”张泽文说。

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

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