上海科大《Nature》子刊：超强电镜技术！原子级分辨率，毫秒级可视化

编辑推荐：金属锂作为“圣杯”，被认为是电池阳极的最终选择。但是由于它非常活泼，永远不可能以元素的形式存在于空气中，对电子束敏感也使得使高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)成像无法进行。本文提出了一种在透射电子显微镜(TEM)内直接对碱金属进行观察的简单而通用的方法，在室温下实现了金属锂原子分辨率成像，并以毫秒的时间分辨率在原子尺度上可视化了碱金属的生长过程。锂金属微结构中的揭示将有利于锂离子电池的进一步认识和发展。

碱金属在医药、电池等领域已得到了广泛的研究。然而，由于化学反应性和电子/离子束灵敏度的限制，碱金属的固有原子结构及其基本性质直到今天仍难以揭示。近日，来自上海科技大学等单位的研究者，提出了一种在透射电子显微镜中对原位形成的碱金属直接观察的简单通用方法。相关论文以题为“Unravelling the room-temperature atomic structure and growth kinetics of lithium metal”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19206-w

碱金属的研究已经有很长的历史了，近年来最令人兴奋的是其对能量转换和储存的研究。作为“圣杯”，金属锂理论容量最大，电化学电位最低，被认为是电池阳极的最终选择。然而，对于碱金属，在原子水平上的结构信息所知甚少。一个重要的原因是它们非常活泼，永远不可能以元素的形式存在于空气中。到目前为止，真空或低温转移似乎是将碱金属样品带入显微镜进行观察的唯一可靠方法。

然而，在转移过程中不能完全排除污染和降解。此外，碱金属的电子束敏感性质，使高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)成像无法进行。直到最近，有报道称低温下低温转移锂的原子尺度成像，而室温成像是通过将锂插入到石墨烯薄片中实现的，而裸碱金属的直接室温原子分辨率成像从未被证明。更重要的是，在高时空分辨率下，碱金属生长的直接现场观测尚未实现。锂金属微结构中的缺失环节阻碍了对锂离子电池的进一步认识和发展。

在这项工作中，研究者提出了一种在透射电子显微镜(TEM)内直接对碱金属进行观察的简单而通用的方法。以观测的电子束为触发器，从其对应的碱盐中产生碱金属。该方法在室温下实现了金属锂和金属钠的原子分辨率成像，并以毫秒的时间分辨率在原子尺度上可视化了碱金属的生长过程。此外，研究者的观察揭示了锂金属电池在石榴石型固体电解质上生长的模糊性。最后，该方法可以直接研究金属锂的物理接触性质及其表面钝化氧化层，这可能有助于更好地理解锂离子电池中锂枝晶和固体电解质间相问题。

图1 碱金属颗粒的原位形成和生长。

图2 碱金属颗粒的SAED分析。

图3 金属锂的生长动力学。

图4 碱金属颗粒的AC-HRTEM。

图5 锂从LLZO的表面污染层生长。

图6 锂金属与表面氧化层的接触性能。

综上所述，研究者提出了一种直接在透射电镜内对原位形成碱金属直接观察的简单而通用的方法。用这种方法，研究者在原子空间分辨率和毫秒时间分辨率上可视化了碱金属的生长。观察了碱金属的氧化过程，研究了表面氧化物成分的分布和形成。全文表明，该方法在不同实验中具有良好的兼容性，在其他原位实验中的应用也具有可预见性。作为实际应用，研究者澄清了锂金属电池在石榴石型固体电解质上生长的模糊性。另一方面，为研究金属锂的接触性能及其表面钝化氧化层提供了一种直接的方法。(文：水生)