让锂电池更安全，还得从这里出发

锂电池容易发生起火爆炸等事故，本质上是由于其有机电解质体系造成的。锂电池在使用或储存过程中会出现一定概率的失效, 包括容量衰减(跳水)、循环寿命短、内阻增大、电压异常、析锂、产气、漏液、短路、变形、热失控等, 严重降低了锂电池的使用性能、一致性、可靠性、安全性。

冷冻电镜（cryo-EM）因其实现了生物分子的高分辨率结构成像而获得2017年诺贝尔化学奖。在过去的几十年里，冷冻电镜已经逐渐成为结构生物学领域一个重要的研究工具，这项技术简化和改进了生物分子的成像，将生物化学带入了一个新的时代。同时，随着冷冻电镜对敏感电池材料的成功应用，并在2017年实现了锂金属及其界面的原子结构成像，冷冻电镜在探究能源材料方面具有很大的前景。通常，在低温条件下，脆弱的电池材料可以在高能电子束下保持其原始的结构形态，并且可以在微纳米尺度，甚至原子尺度上进行高分辨成像。近年来，这些研究越来越集中于利用冷冻电镜技术来揭示电极材料的电化学机理上。这些研究的新发现和突破不但拓宽了我们对电池材料设计的视野，而且为解决能源领域的核心问题提供了重要的理论基础。

并且，电极材料的界面（包括固态电解质界面（SEI）和正极电解质界面（CEI））特性显著影响着电池的循环稳定性，特别是对于活泼的金属锂表面形成的SEI。因此电池材料界面纳米结构性质的探究对于全面了解电池性能以及失效机制具有重要的指导意义。

随着冷冻电镜引入能源领域，研究表明锂枝晶等敏感电池材料在低温条件下可以得到很好的保护，即使是在高能电子束辐照下也可以保持良好的结构稳定性。相比之下，在传统透射电子显微镜(TEM)样品转移过程中，锂枝晶很容易被空气腐蚀（图a）。而在冷冻电镜观测条件下，锂枝晶不但可以避免空气腐蚀，而且在进行长时间辐照后依然可以保持其原始的结构形态(图b)。

锂电池低的库仑效率主要归因于非活性锂（也称为“死锂”）的形成，包括SEI中的锂组分和电子绝缘未反应的零价金属锂。具体来说，锂沉积过程中的巨大的体积膨胀会导致SEI的破坏和再生。反复的电化学循环会加剧SEI的不均匀性，导致锂金属剥离不均匀。当与电极失去电子接触时，未充分剥离的锂金属将演变为死锂。非活性锂的形成会严重阻碍电池中锂离子的扩散，最终导致电池容量的下降。虽然非活性锂的产生和累积是锂负极失效的关键因素，但是人们对它的认知却非常有限。基于冷冻电镜的观察，科学家们鉴定出被电子绝缘的未反应零价金属锂是非活性锂的主要成分，它直接导致了电池容量的损失。

冷冻电镜的出现为探究敏感能源材料潜在的机制提供了极大的便利，它可以在不受空气或电子束干扰的情况下保持电极材料的原始结构形态。在此基础上，它还可以实现高分辨率的观测，如原子尺度上的锂金属成像和电极界面纳米结构的揭示，这为电极材料的设计和构建提供了新的思路。并且冷冻电镜的应用还可以解决许多过去难以实现的技术问题，从而构建电池性能与微观结构甚至失效机制之间的相关性。