随着化石燃料的不断枯竭和全球环境的日益恶化，先进的可充电电池(ARB)以其绿色资源、安全运行和低成本的特性受到人们的广泛关注。日益增长的对能量的追求正促使科学家们开发出卓越的ARB，这是学习深入了解电极材料在充放电过程中的成分演化和基本机理是先决条件。作为过去几年的最先进技术，原位透射电子显微镜（TEM）在实时观测中具有高的时间和空间分辨率，这表明可以在动态工作条件下探测非平衡状态信息。这个强大的工具可以直接观察电极材料在充放电过程中的形貌变化和电化学界面演变。此外，还可以检测相变，甚至可以揭示更详细的晶格信息、晶体缺陷和元素信息。目前，原位TEM表征已初步应用于ARBs电极材料的研究，可以在纳米甚至原子尺度上可视化复杂的电化学反应。

有鉴于此，澳门大学洪果教授和暨南大学麦文杰研究员等人，总结了五种用于监测ARBs的原位TEM装置，并阐明了它们的具体特点。并对近10年(2010-2020年)发表的重要成果进行综合分析。随着原位TEM装置的不断改进，可以观察到一些关键的电化学反应，这进一步促进了ARBs电极材料的设计。此外，还提出了如何利用原位TEM技术进一步解决ARBs的主要挑战，并总结了未来进一步发展原位TEM技术所面临的主要挑战。

本文要点

1）近十年来，原位TEM技术的迅速发展为ARBs中先进材料和设备的基础探索提供了前所未有的机会。系统地研究了原位TEM结构的分类、相应的成像信息以及应用这些技术的常规电池系统。

2）具体而言，原位TEM技术能够实时检测样品的形貌变化、电化学界面演变、相变、晶格信息、晶体缺陷甚至元素信息。这些信息对于研究锂离子电池、Na/K离子电池、碱金属电池、金属-空气电池、锂硫电池、全固态电池等关键理论至关重要。

3）最重要的是，得益于这些技术的高时空检测精度，报告了许多重大成就：高工作电位下的结构稳定性，金属离子（去离子）嵌入过程中的体积膨胀，微观结构变化和相变，树枝状晶体连续剥镀过程后的生长，副产物引起的过早钝化，多硫化物的形成和扩散，电极与电解质之间的高电阻，相边界迁移动力学，形态学影响等。

总之，原位透射电子显微镜技术作为一种强大的工具，能够在纳米甚至原子尺度上对复杂的电化学反应进行可视化，这将有利于电化学储能系统电极材料的设计。

参考文献：

Junpeng Xie et al. A Decade of Advanced Rechargeable Batteries Development Guided by In Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Energy, 2021.

DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.105780

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105780