安全和高能量密度的可充电电池在当今社会中越来越不可或缺。当前电池技术的进步和对下一代电池的研究很大程度上取决于对工作电极，电解质和界面的不断加深的基本了解和合理的设计。但是，由于对空气和电子束敏感度的内在局限性严重阻碍了对能源材料和界面的准确分析，这限制了在低效率的试验和错误范例中对能源材料的研究。冷冻电子显微镜（cryo-EM）的出现使空气和电子束敏感的能源材料在微米级和纳米级，甚至在原子分辨率下都可以进行非破坏性表征，以实现对有关工作电池的主要化学和物理的更深入的见解。近日，清华大学张强从其揭示能源材料潜在奥秘的压倒性优势中回顾和分析了cryo-EM的发展及其在检测能源材料中的应用。比较了关键样品制备方法作为cryo-EM的前提条件，这严重影响了表征精度。此外，根据cryo-EM的不同功能，总结了用于能源材料分析的新进展，尤其是锂金属电池中的块状电极和界面。最后，展望了cryo-EM分析能源材料的未来方向。

文章要点：

1）将关键样品制备方法定为cryo-EM表征的前提条件，这决定了cryo-EM表征的准确性。通常，根据分辨率要求，低温聚焦离子束（cryo-FIB）和低温透射电子显微镜（cryo-TEM）均可用于表征低温下的能量材料。例如，可以记录沉积的Li的横截面图像，以通过冷冻FIB在微观尺度上评估其内部信息，并通过冷冻TEM在纳米尺度上表征SEI和锂的精细结构。样品制备方法和转移过程对于样品表征之前的过程至关重要。适当的方法可以避免样品之间与空气或热直接接触以获得原始信息。作者总结了微米级散装材料，纳米级散装材料，纳米尺度的纳米材料三种材料的制备方法。

2）透射电镜已被广泛应用于能源材料的研究。可以基于图像对比，晶格间距，选定区域电子衍射（SAED）和与TEM结合的快速傅立叶变换（FFT）来识别晶体和非晶成分及其相应的分布。结合上述优势和低温条件，cryo-TEM可用于可以更接近现实地表征锂金属的生长行为，电极上SEI的结构和组分以及S在基质中的分布。因此，cryo-TEM是研究电池工作和失效机理与电极，界面甚至电解质的结构和组件之间关系的有力工具。

3）作者指出需要进一步研究cryo-EM，以实现对能源材料的全面而深入的了解。包括：（1）样品制备和转移（可以进一步研究和修改当前cryo-TEM的制备和转移过程，以准确提供能源材料的原始特征并进一步简化操作过程）；（2）原位仪器（TEM在分辨率方面的进展显著受益于原位表征。通过结合高分辨率的三维重建技术，可以看到SEI和电极材料中组分的空间分布。此外，开发结合光谱仪的cryo-TEM可以在操作实验过程中实现能源材料的实时结构演变和同步区域成分分析。然而，低温温度对于特定仪器的操作是一个重大挑战）；（3）界面（界面是电池中发生电化学反应的地方，它决定了电池的工作和失效机理。在锂金属或其他负极材料上形成SEI取决于电池的运行条件。可通过cryo-EM揭示溶剂，锂盐和添加剂的类型和数量以及SEI的组件和结构中的温度，电流密度，压力和电压的作用。此外，必须充分了解SEI在电池操作后的动态变化。正极上的CEI也存在相似性。同时，研究电池中正极和负极之间溶解物质的串扰是当前和下一代电池中的新兴话题）；（4）正极（Cryo-EM将有助于部分中间体的鉴定和相应的分布，这将更加清楚地表征与硫正极有关的转化场景）；（5）负极（受目前cryo-EM的分辨率和精度的限制，很难清楚地捕获锂离子或其他碱金属离子的复杂溶剂化结构。由于cryo-EM技术的飞速发展，这些问题有望被解决。此外，溶剂化锂离子在电极表面上的吸附形式，尤其是在SEI和锂金属的不同晶面上，以及锂离子的去溶剂化模式，都可以通过先进的cryo-EM来表征）。

总而言之，Cryo-EM将不断为电池研究提供新的视角，并推动基于可持续发展的社会理念下，能源材料的合理设计。

Ren, X.‐C., Zhang, X.‐Q., Xu, R., Huang, J.‐Q., Zhang, Q., Analyzing Energy Materials by Cryogenic Electron Microscopy. Adv. Mater. 2020,

DOI：10.1002/adma.201908293

https://doi.org/10.1002/adma.201908293