盡管液-固界面在科學領域是最基礎的概念，但由于現有工具在納米尺度上同時研究液相和固相方面存在缺陷，因此，描述這種精細的界面仍然不盡于人意。這將導致人們對電池系統中關鍵界面的結構和化學的理解有很大的差距。

在此，來自美國斯坦福大學的Wah Chiu & 崔屹等研究者采用并改進了一種薄膜玻璃化的方法，在天然液體電解質環境下保存電池中敏感但關鍵的界面，以實現低溫電子顯微鏡觀察和光譜學研究。相關論文以題為“Capturing the swelling of solid-electrolyte interphase in lithium metal batteries”發表在Science上。更多精彩抖音搜索'材料科學網'。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8703

從電能的產生和儲存到化學物質和材料的合成，電極-電解質界面對各種技術都很重要。這些電化學界面是復雜的，在實驗上很難研究，部分原因是缺乏有效的工具來實現高分辨率表征。這種認識上的差距，導致了對界面結構和反應性的實驗控制不足。例如，固體電解質間相(SEI)——由于電解質的電化學和化學分解而在電極-電解質界面形成的界面層——是鋰離子和鋰金屬電池可逆運行的關鍵組成部分。因此，人們已經作出大量努力，以工程SEI使電池化學具有更高的能量密度和更長的周期。然而，對這些電池化學中界面現象的基本理解，仍然是有限的。因此，闡明電極-電解質界面的納米級結構和化學，是開發高能密度電池的關鍵。

傳統的高空間分辨率的表征技術，如高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)，與揮發性液體電解質和敏感固體電極(如鋰金屬陽極)不兼容。此外，電極和電解質都是高度反應性的，在樣品制備和轉移過程中很容易受到污染或損壞。低溫可以穩定樣品制備過程中敏感的電池材料和界面，并在TEM中實現高分辨率的表征。然而，在許多先進的電解液中，通過低溫電子顯微鏡(cryo-EM)顯示，與電極緊密界面的層中的SEI的納米級結構通常是無定形的。因此，很難將電池性能的差異與SEI納米結構和化學聯系起來。

前段所述的實驗是在沒有液體電解質的情況下進行的；然而，理想情況下，人們希望用液體電解質將固液界面保持在“濕”狀態。有研究采用低溫掃描透射電子顯微鏡(cryo-STEM)技術，結合低溫聚焦離子束(cryo-FIB)，對固液兩相電池的埋設界面進行了探測。然而，由于制備足夠薄的薄片適用于HRTEM的技術挑戰，在電解液中SEI的高分辨率成像是困難的。此外，離子研磨對SEI納米結構和化學的影響也是一個值得關注的問題。

在此，研究者采用了原始的薄膜玻璃化方法，在電池本身的有機液體電解質環境中保持了電池的電極-電解質界面。研究者用低溫(S)透射電鏡對樣品進行表征，研究鋰金屬電池中完整的界面結構和化學性質。其關鍵是直接獲得有機電解質與固體電池材料界面的薄膜樣品，同時避免額外的樣品制備步驟產生任何機械或化學偽影。圖1、A和B顯示了為電池開發的薄膜玻璃化方法的示意圖和玻璃化試樣的橫切面。研究者利用該方法，報道了在各種電解質中固體電解質間相(SEI)在鋰金屬負極上的大量膨脹。溶脹行為依賴于電解質化學，并與電池性能高度相關。較高程度的SEI溶脹傾向于表現出較差的電化學循環。

圖1 有機電解液中枝晶試樣的制備。

圖2 干燥狀態下Li枝晶上的SEI和低溫透射電鏡下玻璃化有機電解質成像。

圖3 液體電解質中SEI的AFM納米壓痕分析。

圖4 不同電解質中Li金屬負極性能與SEI溶脹率的關系。

綜上所述，以上見解強調了保存液相和固相對于使用低溫電子顯微鏡方法高分辨率研究復雜界面現象的重要性。（文：水生）