电池是以一种将化学能转化为电能的装置，它自诞生起已有三百年的历史。到现在，装配电池的电子设备和电动工具已经在我们日常生活中随处可见。我国正把新能源汽车作为“中国制造2025”的一个重要组成部分，并期望在该领域主导下一轮全球汽车产业的变革。其中高能量密度电池是这一步的关键，但现在电池领域的瓶颈问题是：电池安全性差、充放电速度慢、寿命短等。
如何解决这些问题呢？这就要从电池内部了解其电极材料的微观结构变化。透射电镜在电池机理研究中发挥着关键作用。电池作为能源存储和转换的重要装置，其性能直接影响着现代社会的发展。透射电镜通过其高分辨率和高灵敏度，为研究电池材料的微观结构和化学成分提供了强大的支撑。
图1：燕山大学“科学家讲科学”科普讲座现场
首先，透射电镜可以帮助研究人员观察电池中各种材料的微观结构。例如，正极材料(如氧化物或磷酸盐)和负极材料(如锂金属或碳材料)的形貌、晶体结构和界面特性都可以通过透射电镜进行表征。这些信息对于理解电池的充放电机制和循环稳定性至关重要。其次，透射电镜可以揭示电池中化学反应的细节。通过透射电镜，研究人员可以直接观察到电极材料中锂离了的嵌入和脱嵌过程，以及锂离子与电解质之间的相互作用。这些观察有助于识别电池循环过程中的失活机制，并指导材料设计和工艺优化，以提高电池的性能和循环寿命。此外，透射电镜还可以用于研究电池中的界面现象。电池中的界面，如电极与电解质之间的界面和电极内部的晶界，对电池性能具有重要影响。透射电镜可以帮助研究人员观察这些界面的结构和化学成分，并研究它们对电池性能的影响机制。综上，透射电镜在电池机理研究中扮演着不可替代的角色，为理解电池材料的微观结构和化学过程提供了关键信息。通过透射电镜的应用，研究人员可以更深入地理解电池的工作原理，进而推动电池技术的发展。
液态锂离子电池容易发生爆炸的危险，并且液态锂离子电池的能量密度已经逼近其理论极限。所以我们将视线转到更有发展前景的固态电解质电池。虽然固态电池使用固态电解质取代液态电解液，降低了一定的安全风险。但固态电池也会出现短路失效问题。这又是为什么呢？
图2：燕山大学张利强研究员
我们团队搭建起TEM-AFM原位锂枝晶生长、力学性能和力-电耦合测量装置，实现了锂枝晶的原位生长与力学性能的同步测量。发现了纳米尺度锂枝晶的力学强度比体材锂高出两个数量级，锂枝晶越小强度越强，生长应力可高达132 MPa，这颠覆了传统上对锂枝晶的认知。揭示了锂枝晶的高力学强度和力电耦合是锂枝晶刺穿固态电解质导致固态电池失效的根源。
进而发现固态电池中电解质的失效是由于金属锂在电解质内部沉积，产生局部应力导致电解质断裂。并且是由于固态电解质中形成孔洞，锂在此处形核，并不断长大，在电解质中形成穿晶断裂的碗装裂纹，而不是传统设想中从锂负极端沿着晶界断裂，来破坏固态电解质。在电池的放电-充电循环中，残留的碳酸锂壳不能恢复到初始柱状，而是在新位置发生金属锂的沉积后形成新的枝晶穿透电解质，并在剥离后形成新的“死锂”，导致固态电池短路。
除了液态和固态电池，金属空气电池也应当被注意到。它具有超高能量密度，应用前景广阔。但其存在寿命短、稳定性差、氧化还原反应机理不明等问题。该团队在电镜中搭建起Na-O2金属空气电池，实现了金属电极材料与气体氧化还原反应产物及途径的实时监测，同时对反应产物进行了原位电子衍射监测，实时观察到了样品的结构变化信息，揭示了金属电极与气体的氧化还原反应机制。发现在放电过程中，CuO纳米线出现了第一、第二乃至第三次的体积膨胀。并且实验有良好的可重复性。
金属Li、Na、K等由于其超强的化学活泼性，空气稳定性差，会造成电池性能劣化，同时在储存、运输、使用的过程中存在着巨大安全隐患。该团队采用电化学电镀制备碳酸锂保护的锂球，大幅提升金属锂的空气稳定性，打破了国外同类产品的垄断局面。
未来，该团队将应用原位透射电镜技术直观的揭示各类型电极材料在充放电过程中的微观变化行为，能够为宏观电池的设计提供理论依据；研究多场耦合作用下电极材料的工作与失效行为。
