研究亮點：

1.通過冷凍電鏡揭示了枝晶的生長機理。

2.發現升高溫度可以改善電池的循環性能。

了解枝晶的形成過程和機理，是實現高能量密度和安全鋰金屬電池的關鍵。長期以來，與具石墨負極的鋰離子電池相比，鋰金屬電池通常表現出較差的循環性能，較窄的操作溫度范圍和更嚴重的安全問題。

圖1.溫度操作窗口

為了解決這些問題，研究人員開辟了大量的策略，包括采用犧牲劑，通過固態或聚合物電解質來穩定電解質配方、界面工程等等。這些策略雖然一定程度上可以抑制鋰枝晶形成，以提高電池性能，但是在重復的電化學電鍍和剝離過程中可能無法完全避免。在電池循環期間，枝晶生長也變得復雜，化學和電化學反應不斷改變固體電極-電解質界面（SEI）的組成。由于所有這些過程都發生在封閉系統中，因此SEI和樹枝狀結構的表征成為真正的挑戰。

有鑒于此，斯坦大學崔屹課題組及其合作者通過冷凍電鏡揭示了枝晶的生長機理，并發現升高溫度可以改善電池的循環性能。

圖2.枝晶生長機理

要點1：優異的高溫循環性能

一般認為，當使用高反應性鋰金屬作為負極時，升高溫度會增強副反應，導致循環性能更差。而崔屹團隊則展示了在高溫條件下工作的鋰金屬電池的增強性能。在60℃的基于醚的電解質中，他們獲得了99.3％的平均庫侖效率，并且實現了超過300個穩定循環。但是在20℃下，庫侖效率在75個循環內急劇下降，平均庫侖效率為79.9％。團隊進一步證明，使用LiFePO4/Li電池進行快速充電，沒有任何明顯的安全問題，這種高溫條件下的優異行為歸因于理想的SEI納米結構。

圖3.優異性能

要點2：揭示枝晶生長機理

冷凍電鏡表明，在60℃下，SEI具有清晰的結構，其中無定形聚合物基質作為最內層，結晶Li2O作為與有機電解質相鄰的外部界面。良好和的機械穩定性，起到了抑制持續的副反應并保證良好的循環穩定性和低電化學阻抗的作用。當溫度升高時，形成的較大鋰顆粒減少了電解質/電極界面面積，這降低了每個循環過程中的鋰損失，從而保證了更高的庫侖效率。

另一方面，在20℃時，SEI由可溶性無定形聚合物有機組分和高表面積枝狀結構組成，導致循環過程中的不穩定性。最近的另一項研究表明枝狀結構在加熱下具有自愈性，盡管熱量是在大的外加電流下局部產生的。

圖4.冷凍電鏡表征

小結

總之，冷凍電鏡關于SEI和枝晶的形成供應了新的見解，為如何利用電解質添加劑和溫度來控制商業電池，起到了很好的借鑒作用。