图片来源：Kourkoutis实验室

固体阳极和液体电解质的界面对锂金属电池的性能起着至关重要的作用，但描述该交汇处发生的过程一直是一个挑战。

为了研究阳极的表面，通常在分析之前，先去除液体电解质，然后对其表面进行洗涤和干燥。但这种洗涤和干燥会从根本上改变了表面的结构和化学组成;为了获得界面的精确图像，必须在其自然状态下观察。

Lena kourkoutis实验室的研究人员，也是应用和工程物理学助理教授，已经研发并展示了一种直接固液界面的可视化技术，以更好地理解锂金属电池的一个主要问题：会导致短路的阳极枝晶生长，并且在极端情况下，阳极晶枝生长会导致灾难性的电池失效。

8月16日论文“Cryo-STEM Mapping of Solid-Liquid Interfaces and Dendrites in Li-Metal Batteries”发表在《Nature》杂志上，Kourkoutis实验室的18岁的MichaelZachman博士研究生是该论文的主要作者。

主要贡献是由 Archer实验室和James A. Friend 家族杰出的史密斯化学和生物分子工程学院工程教授共同创造的。来自Lynden Archer实验室17岁的Zhengyuan Tu博士研究生和18岁的Snehashis Choudhury博士研究生构建并分析了研究中使用的电池的性能。

Kourkoutis实验室开发的方法包括快速冷冻电极上的电解质，以及一套用于分析固液界面的形态、化学组成和结构信息的低温显微镜技术。研究人员说，这项工作对系统的影响超出了能量储存的范围。

Kourkoutis说：“我们开发的技术实际上只是让我们对这些在非常复杂的界面上所发生的事情有一个不失真的看法。这不仅对要了解特定界面，而且还要了解其发生的反应或过程的影响至关重要。”

Kourkoutis说，这项工作的灵感来自她在德国马克斯普朗克研究所的生物实验室的经验，在那里她使用了一种叫做cryo-FIB(聚焦离子束)的方法来观察细胞内部的过程。在康奈尔大学，她的团队将cryo-FIB应用于固-液界面，并将其与cryo-STEM(扫描透射电子显微镜)结合，以获得完整的纳米级别的晶枝结构。

在这项工作中，打开纽扣电池，将电极立即投入冷冻剂中，以迅速冷冻并保存其结构。Zachman准备了样品并进行实验，他在阳极表面上发现了两种不同类型的枝晶：I型相对较大(约5微米宽)但曲率较低; II型有几百纳米厚且曲折。

此外，I型枝晶表现出延展的固体电解质中间相(SEI)，人们认为它是枝晶生长的前体软层，它大约300至500纳米厚并且比以前观察到的要大得多。该层的发现表明更多的锂不可逆转地损失到SEI层而否定之前的想法，研究表明该软层在传统分析中的必要洗涤和干燥过程中大部分丢失。

该小组的技术还揭示了II型晶枝由氢化锂组成。Zachman说：“人们认为只有由锂金属构成的晶枝存在于电池中，实际上现在我们看到氢化锂晶枝也存在电池中，并且它们应该对电池的性能有显著影响。”

Archer表示，这些发现应该有助于提供“关于如何进行电池电解质化学组成设计的重要线索”。

Kourkoutis和Archer小组之间的合作源于一项联合提案，该提案旨在从国家科学基金会获得270万美元，以获得本研究中使用的扫描透射电子显微镜。

Archer说：“这是一个杰出的表现，表明了康奈尔的材料科学研究的根本合作成果，并将康奈尔与其同行区分开来。”