北京时间2022年1月6日0时，美国加州大学圣迭戈分校的孟颖教授团队在Matter上发表了题为“Leveraging Cryogenic Electron Microscopy for Advancing Battery Design”的观点展望。

文章重点回顾了2017年以来冷冻透射电子显微镜对电池领域的研究与发展起到的推进作用，并展望了日后在电池研究中应用冷冻透射电子显微镜时应注意的问题以及可能的研究方向。论文通讯作者是孟颖，张明浩；第一作者是程迪一。

自从2017年冷冻透射电子显微镜（以下简称“冷冻电镜”）开始被应用在电池研究中以来，人们对电池内部各种电化学过程，尤其是在金属负极、介稳相和界面研究等众多方向中获得了大量新的见解。然而，随着冷冻电镜在电池领域越来越多地使用，各种略有差异的样品制备方法以及转移方法导致在文献中对于同一研究体系产生了不吻合的数据或相悖的机理解释。

有鉴于此，美国加州大学圣迭戈分校孟颖教授团队于此文中首先回顾了冷冻电镜的发展史以及其在电池领域不同分支促成的研究成果，接着进一步列出了冷冻电镜测量期间和样品制备期间的注意事项以供学界参考。最后展望了如何利用人工智能辅助数据收集以及分析工作的流程，从而让冷冻电镜技术在未来让整个材料科学界的受益。

图1：冷冻电镜发展简史。

图2：(a) 使用锂金属负极的液态和固态电解质系统示意图；(b) 冷冻聚焦离子束机器构成示意图；(c) 用室温聚焦离子束和冷冻聚焦离子束得到的锂金属截面形貌及化学组成对比；(d) 聚焦离子束三维重构的工序示意图；(e) 液态电解质中沉积的锂金属的三维重构；(f) 固态电解质的三维重构；利用不定形冰 (g) 和再沉积 (h) 两种方法进行TEM样品制备的过程示意图。

图3：利用冷冻电镜来确定锂枝晶中 (a) 锂金属的纳米结构，(b) SEI的组分和 (c) 死锂的分布；(d) 冷冻电解液中的沉积锂金属的冷冻电镜成像以及电子能量损失谱；(e) 不同电解液中的沉积钠金属表面SEI组分；(f) 冷冻电镜捕捉到的锂金属形核过程；(g) 不同放电深度下硅负极的纳米结构；(h) 冷冻电镜成像及EDS线扫揭示的Li和LiPON的界面结构。

图4：(a) 电子辐照损伤样品的机理示意图，其中只有焦耳热和辐解造成的损伤可以利用冷冻条件缓解；(b) 冷冻电镜样品转移过程中可能会导致产生相悖数据的不确定因素。

图5：人工智能辅助电镜数据采集及分析的工序示意图。

冷冻电镜应用于电池领域4年以来，人们对电池中辐照敏感的成分及界面有了纳米尺度上的崭新认识，也促成了众多研究方向的转变，例如锂金属负极的研究从抑制枝晶生长逐渐转移到减少死锂产生及聚集；均匀锂金属沉积可以通过控制锂金属的形核生长、界面修饰和外加压力达到，等等。展望未来，随着3D-tomography，4D-STEM等电镜技术的发展，辅以原位观察、冷冻条件和机器学习，冷冻电镜技术的革新将会对不仅限于电池的更多领域产生深远长久的影响。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.11.019