近日，材料科學(xué)與工程學(xué)院黃建宇教授團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)電子顯微表征技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，研究成果以《冷凍超薄切片術(shù)實(shí)鋰/聚合物界面進(jìn)行全局TEM表征》(Cryo-ultramicrotomy enables TEM characterization of global lithium/polymer interface)為題發(fā)表于能源領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science，中科院1區(qū)Top期刊，影響因子32.5）。材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生張雪冬為第一作者，黃建宇教授、燕山大學(xué)張利強(qiáng)教授以及唐永福教授為論文的共同通訊作者，我校為論文第一完成單位。

鋰金屬因其極高的理論容量和最低的電化學(xué)電位成為理想的負(fù)極材料。然而，其在實(shí)際應(yīng)用中存在鋰枝晶生長(zhǎng)、死鋰形成等問(wèn)題，導(dǎo)致電池存在容量衰減和短路等風(fēng)險(xiǎn)。原子尺度理解鋰金屬負(fù)極和電解質(zhì)之間的異質(zhì)界面和固體電解質(zhì)界面（SEI）的成分和生長(zhǎng)規(guī)律是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的基于常規(guī)TEM表征技術(shù)嚴(yán)重依賴(lài)于液態(tài)電解質(zhì)電池內(nèi)部銅柵上的鋰沉積，無(wú)法直接表征宏觀(guān)鋰負(fù)極/電解質(zhì)界面。此外，由于TEM樣品制備困難，學(xué)界對(duì)聚合物電解質(zhì)系統(tǒng)的界面研究很少。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種針對(duì)鋰負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)界面的無(wú)損TEM樣品制備方法，從而實(shí)現(xiàn)跨尺度的界面表征。

鑒于此，黃建宇教授團(tuán)隊(duì)采用冷凍超薄切片術(shù)為基于固體聚合物電解質(zhì)（SPE） 的固態(tài)鋰電池制作了大規(guī)模的冷凍透射電鏡樣品。首次實(shí)現(xiàn)了在TEM中無(wú)損觀(guān)測(cè)鋰負(fù)極/聚合物電解質(zhì)界面。該研究在鋰負(fù)極表面發(fā)現(xiàn)了一種三層結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為SEI₁|Li |SEI₂,證明鋰可以直接沉積在SEI層頂部。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)，表明電子可以穿過(guò)SEI層。此外，該研究還展示了SPE中沉積鋰中獨(dú)特的團(tuán)簇形態(tài)，與液體電解質(zhì)電池中觀(guān)察到的典型晶須狀樹(shù)枝狀鋰不同。多層鋰團(tuán)簇最內(nèi)層主要為L(zhǎng)iH和Li⁰，其次是Li₂O，最外層為L(zhǎng)iOH和Li₂CO₃。基于這些現(xiàn)象，該團(tuán)隊(duì)將TBAF引入電解質(zhì)中，促進(jìn)了SEI和電解質(zhì)中納米晶LiF的產(chǎn)生，顯著提高了電池性能。這些結(jié)果不僅揭示了固態(tài)電池中鋰/電解質(zhì)界面的新現(xiàn)象，而且為SPE基固態(tài)電池提供了一種通用的冷凍透射電鏡樣品制備方法。這一研究成果為在原子和宏觀(guān)尺度上理解SPE基固態(tài)電池的界面電化學(xué)開(kāi)辟了新途徑。

鋰/聚合物電解質(zhì)界面以及團(tuán)簇鋰枝晶的冷凍電鏡表征

近年來(lái)，材料科學(xué)與工程學(xué)院以高比能二次鋰電池為研究特色開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究，獲得了多項(xiàng)高水平研究成果，為滿(mǎn)足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求、解決新能源基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用中的重大和工程化問(wèn)題做出了貢獻(xiàn)。其中黃建宇教授團(tuán)隊(duì)迄今已獲批國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)，在Energy & Environmental Science,Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等高水平能源期刊發(fā)表論文數(shù)十篇。