編輯推薦：金屬鋰作為“圣杯”，被認為是電池陽極的最終選擇。但是由于它非常活潑，永遠不可能以元素的形式存在于空氣中，對電子束敏感也使得使高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)成像無法進行。本文提出了一種在透射電子顯微鏡(TEM)內直接對堿金屬進行觀察的簡單而通用的方法，在室溫下實現了金屬鋰原子分辨率成像，并以毫秒的時間分辨率在原子尺度上可視化了堿金屬的生長過程。鋰金屬微結構中的揭示將有利于鋰離子電池的進一步認識和發展。

堿金屬在醫藥、電池等領域已得到了廣泛的研究。然而，由于化學反應性和電子/離子束靈敏度的限制，堿金屬的固有原子結構及其基本性質直到今天仍難以揭示。近日，來自上海科技大學等單位的研究者，提出了一種在透射電子顯微鏡中對原位形成的堿金屬直接觀察的簡單通用方法。相關論文以題為“Unravelling the room-temperature atomic structure and growth kinetics of lithium metal”發表在Nature Communications上。

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

堿金屬的研究已經有很長的歷史了，近年來最令人興奮的是其對能量轉換和儲存的研究。作為“圣杯”，金屬鋰理論容量最大，電化學電位最低，被認為是電池陽極的最終選擇。然而，對于堿金屬，在原子水平上的結構信息所知甚少。一個重要的原因是它們非常活潑，永遠不可能以元素的形式存在于空氣中。到目前為止，真空或低溫轉移似乎是將堿金屬樣品帶入顯微鏡進行觀察的唯一可靠方法。

然而，在轉移過程中不能完全排除污染和降解。此外，堿金屬的電子束敏感性質，使高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)成像無法進行。直到最近，有報道稱低溫下低溫轉移鋰的原子尺度成像，而室溫成像是通過將鋰插入到石墨烯薄片中實現的，而裸堿金屬的直接室溫原子分辨率成像從未被證明。更重要的是，在高時空分辨率下，堿金屬生長的直接現場觀測尚未實現。鋰金屬微結構中的缺失環節阻礙了對鋰離子電池的進一步認識和發展。

在這項工作中，研究者提出了一種在透射電子顯微鏡(TEM)內直接對堿金屬進行觀察的簡單而通用的方法。以觀測的電子束為觸發器，從其對應的堿鹽中產生堿金屬。該方法在室溫下實現了金屬鋰和金屬鈉的原子分辨率成像，并以毫秒的時間分辨率在原子尺度上可視化了堿金屬的生長過程。此外，研究者的觀察揭示了鋰金屬電池在石榴石型固體電解質上生長的模糊性。最后，該方法可以直接研究金屬鋰的物理接觸性質及其表面鈍化氧化層，這可能有助于更好地理解鋰離子電池中鋰枝晶和固體電解質間相問題。

圖1 堿金屬顆粒的原位形成和生長。

圖2 堿金屬顆粒的SAED分析。

圖3 金屬鋰的生長動力學。

圖4 堿金屬顆粒的AC-HRTEM。

圖5 鋰從LLZO的表面污染層生長。

圖6 鋰金屬與表面氧化層的接觸性能。

綜上所述，研究者提出了一種直接在透射電鏡內對原位形成堿金屬直接觀察的簡單而通用的方法。用這種方法，研究者在原子空間分辨率和毫秒時間分辨率上可視化了堿金屬的生長。觀察了堿金屬的氧化過程，研究了表面氧化物成分的分布和形成。全文表明，該方法在不同實驗中具有良好的兼容性，在其他原位實驗中的應用也具有可預見性。作為實際應用，研究者澄清了鋰金屬電池在石榴石型固體電解質上生長的模糊性。另一方面，為研究金屬鋰的接觸性能及其表面鈍化氧化層提供了一種直接的方法。(文：水生)

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