冷凍電鏡在材料科學中嶄露頭角

冷凍電鏡在材料科學中嶄露頭角

小編沒有查到在崔屹教授之前將冷凍電鏡技術應用到材料科學領域的報道，但是不管有沒有，以Stanford的崔屹教授2017年10月27日在線發表在Science這篇題為“Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo-electron microscopy”的研究論文 ^[6]作為冷凍電鏡在材料學研究中的一個開端，小編認為是合適的，畢竟它是“他山之石，可以攻玉”的一個典范，可以說開啟了材料科學研究的一個新世界。

做鋰電的小伙伴都知道，鋰枝晶是鋰電中最大的安全隱患，Samsung、Apple產品時不時出現的自燃事故和它不無關系。時至今日，枝晶的產生、生長以及刺穿隔膜造成電池內部短路，都是電池專家們不得不直面的問題，也是材料領域“持續高溫”的研究方向。然而，眾所周知，鋰元素非常活潑，對環境極其敏感，如何從原子層面去研究鋰枝晶的形成和生長，極具挑戰。傳統的高分辨TEM電子束能量很高，會嚴重損壞枝晶結構甚至熔毀；而低分辨的TEM、直接成像、表面探針等技術獲得的信息又十分有限。在這篇Science論文中，崔屹教授等受“冷凍電鏡可以獲得脆弱的生物大分子原子級別結構”的啟發，創造性地將冷凍電鏡技術引入到了敏感性電池材料和界面精細結構的研究中，克服了電池材料冷凍制樣的種種難題，首次獲得了鋰枝晶原子分辨率級別的結構圖像。結果顯示，冷凍電鏡技術完整地保留了枝晶的原始形貌及相關結構、化學信息，在持續10min的電子束轟擊下仍然保持完好。高分辨的Cryo-EM照片表明鋰枝晶是呈長條狀的完美六面晶體，完全迥異于傳統電鏡觀察到的不規則形狀；而其生長行為顯示其有明顯的<111>優先取向，生長過程中可能發生“拐彎”，但是并沒有形成晶體缺陷，不影響其完美晶體結構。另外，研究結果還包含固態電解質界面（SEI）的組成與結構。崔屹教授表示，研究結果十分令人興奮，證明了Cryo-EM可以有效地對那些脆弱、不穩定的電池材料進行高分辨率表征，例如鋰硅、硫等，并且保持它們在真實電池中的原始狀態。