據中國科學院物理研究所訊息，雖然鋰離子電池商業化已有30年，但是由於表徵技術的限制，許多電池材料和介面相關的難題如固體電解質介面SEI膜性質一直困擾著電池學術界和工業界。
隨著未來高能量密度的鋰硫電池、鋰空電池和固態電池的發展，針對其中的電池材料和介面的表徵越來越具有挑戰性。這是因為涉及的材料和介面含有較多的輕元素，具有較高的化學活性，且對空氣和電子輻照敏感。冷凍電鏡（Cryo-EM）自2017年首次被應用到電池材料領域中，在表徵輻照敏感材料上發揮著重要的作用，取得了前所未有的結果，如金屬鋰非晶到結晶的形核過程。因此，Cryo-EM在材料領域也備受關注，幫助解決許多電池材料與介面相關的關鍵性科學問題。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A04組王雪鋒特聘研究員、清潔能源實驗室E01組王兆翔研究員和國內高校相關課題組合作，在冷凍電鏡觀察金屬鋰電池材料和介面方面開展了一系列工作。相關結果不僅加深了人們對電池材料與介面微觀結構的認識，而且提供了電極材料、電解質材料、載體材料及其介面的設計理念和思路，共同推進未來高效能高安全電池的發展和應用。
具體研究結果如下：
- 根據電池材料的特點，總結並發展了Cryo-EM用於材料領域的工作流程，包括樣品製備、轉移、成像和資料處理過程，以儘量減少對樣品的汙染、損壞和誤導性分析，獲得樣品最真實和準確的結構資訊。此外，從體相材料、固-固介面和固-液介面三個方面系統地總結了Cryo-EM表徵電池材料和介面的最新研究進展和有待解決的問題，展望了未來Cryo-EM的技術發展和在電池領域的應用需求。
- 透過cryo-TEM和cryo-EELS研究了碳奈米管空腔儲鋰機制，證實了碳奈米孔中確實可以存在金屬性鋰。透過比較儲鋰與儲鈉行為，指出微孔儲存活性金屬的前提條件：1）載體材料具有離子通道，以便離子進入到孔內；2）空腔中存在吸引金屬離子沉積的誘導物質，如FexC。這兩個條件為多孔集流體微結構的設計提供了理論指導和實驗策略，有望實現金屬鋰的限域儲存，從而抑制鋰枝晶的生長。
- 固體電解質介面SEI膜是指在電極表面由電解液參與（電）化學副反應產生的電子絕緣且離子導通的鈍化層，它會直接影響電池的庫倫效率、迴圈壽命、容量以及安全性等。因此，SEI膜被認為是電池內最重要的卻瞭解最少的部分。透過cryo-TEM和其它先進表徵，解析了SEI膜在不同工況下的結構和演變，包括不同基底材料、不同電解液和不同電化學狀態。這些結果聯結了電池介面結構-電化學效能-改進方法，指出有益的SEI膜應富含惰性無機成分，薄且電化學穩定。
相關工作成果發表在iscience, Energy Storage Materials, Nano Energy, Nano Letter和Cell Reports Physical Science上。
另外，據中國科學院物理研究所相關資訊，王雪鋒研究員主要研究方向為高能量密度二次電池(鋰離子電池、金屬鋰電池、混合鋰離子/鋰-氧電池和全固態電池等)關鍵材料結構表徵、機理研究和失效分析，擅長採用冷凍電鏡技術研究輻照敏感材料；王兆翔研究員主要研究方向為二次電池材料結構設計、效能預測、材料內部及表面的物理化學過程。
