锂金属电池尚未上市，但如果上市，或将有望解决日益减少的电池电量带来的日常困扰。锂金属电池与日常电子设备中随处可见的锂离子电池类似，但容量潜力是锂离子电池的两倍。然而，锂金属电池的充电次数有限，这一直是其广泛应用的主要障碍。

图片来源： UCLA

据外媒报道，由加州大学洛杉矶分校（UCLA）加州纳米系统研究所（California NanoSystems Institute，CNSI）研究人员领导的一项新研究或许能加快这一进程。在期刊《Science Advances》杂志上，该团队记录了发明的一种成像技术，该技术首次能够捕捉锂金属电池充电时的图像，其细节程度甚至小于光的波长。

这项名为“带电低温电子显微镜”（electrified cryogenic electron microscopy，eCryoEM）的技术，其成果或将为设计更优质的锂金属电池提供指导。

通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨缪尔利工程学院化学与生物分子工程助理教授兼CNSI成员Yuzhang Li就其团队的进展进行了阐述。

与锂离子相比，锂金属基本上使电池的能量密度翻了一番。然而，锂金属的循环稳定性目前还达不到要求。

锂离子电池的充电循环次数可达数千次，但研究文献中性能最佳的锂金属电池也仅仅达到200次。原因之一是锂金属极易发生反应。在电池中，锂和液体电解质之间会形成一层腐蚀层，这是一个重要的研究课题。

eCryoEM与以往的低温电子显微镜技术有何不同？

用于物理科学的低温电子显微镜工具与用于生物学的工具并无二致。对于电池而言，它们基本上是一种事后技术：研究人员只能捕捉电化学反应的初始和最终状态。对于反应条件下发生的事情存在盲点。

在过去四年里，研究人员一直在开发这项技术，并设想：“让我们在电池充电时将其放入液氮中。为了做到这一点，我们必须设计一种非常薄的电池，并且必须将其直接冷冻，使其冻结速度非常快，以毫秒为单位。我们必须确保在此过程中没有副反应。”

研究人员需要在不同的时间点冷冻电池。当将这些测量结果按顺序汇总在一起时，它就像翻页动画一样，可以观察到腐蚀膜随时间的增长。如果理解了这一点，这将有助于设计出更好的电池。

研究人员比较了两种截然不同的电解液化学成分：高性能电解液和低性能电解液。其中一种电解液可以充电100次，而另一种只能充电50次。

主流假设认为，性能差异与腐蚀膜有关。腐蚀膜允许锂离子穿过腐蚀膜，但阻止电子通过。这阻止了电解液与锂金属持续反应。人们认为，高性能电解液中电子穿过腐蚀膜的速度一定更慢，这意味着腐蚀更少。

研究人员利用eCryoEM绘制了腐蚀层厚度随时间的变化图。在早期阶段，腐蚀层厚度的增长速度仅受锂的反应速度限制。一旦腐蚀膜足够厚，其增长速度就会受到电子扩散速度的限制。

结果表明，在扩散限制阶段，使用高性能电解液时，腐蚀膜的生长速度确实会变慢，但仅会降低约10%。而在早期反应限制阶段，两者之间的差异则要大得多，大约是前者的三倍。

这对锂金属电池设计有何影响？

在这个领域，该研究团队一直致力于设计腐蚀层的特性以限制扩散。但主要的区别似乎不在于电子通过的速度，而在于电解质的反应性。

研究结果表明，研究人员应该进行一些工程设计，使液体电解质尽可能地惰性。这并非一个新颖的概念，但这项研究量化了这种惰性可能带来的显著差异，并强调这是一种潜在的、有前景的方法。

看来，电冷冻电镜技术本身对从工程到生命科学等领域都有着更广泛的影响。

电冷冻电镜可能是材料科学领域的下一代冷冻电镜。该团队致力于从根本上理解超级电容器和二氧化碳转化为燃料技术等应用中的分子尺度过程。