近日，材料科学与工程学院黄建宇教授团队在先进电子显微表征技术方面取得突破性进展，研究成果以《冷冻超薄切片术实锂/聚合物界面进行全局TEM表征》(Cryo-ultramicrotomy enables TEM characterization of global lithium/polymer interface)为题发表于能源领域国际顶级期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science，中科院1区Top期刊，影响因子32.5）。材料科学与工程学院博士研究生张雪冬为第一作者，黄建宇教授、燕山大学张利强教授以及唐永福教授为论文的共同通讯作者，我校为论文第一完成单位。

锂金属因其极高的理论容量和最低的电化学电位成为理想的负极材料。然而，其在实际应用中存在锂枝晶生长、死锂形成等问题，导致电池存在容量衰减和短路等风险。原子尺度理解锂金属负极和电解质之间的异质界面和固体电解质界面（SEI）的成分和生长规律是解决上述问题的关键。现有的基于常规TEM表征技术严重依赖于液态电解质电池内部铜栅上的锂沉积，无法直接表征宏观锂负极/电解质界面。此外，由于TEM样品制备困难，学界对聚合物电解质系统的界面研究很少。因此，迫切需要开发一种针对锂负极和固态电解质界面的无损TEM样品制备方法，从而实现跨尺度的界面表征。

鉴于此，黄建宇教授团队采用冷冻超薄切片术为基于固体聚合物电解质（SPE） 的固态锂电池制作了大规模的冷冻透射电镜样品。首次实现了在TEM中无损观测锂负极/聚合物电解质界面。该研究在锂负极表面发现了一种三层结构，称为SEI₁|Li |SEI₂,证明锂可以直接沉积在SEI层顶部。这一发现挑战了传统观点，表明电子可以穿过SEI层。此外，该研究还展示了SPE中沉积锂中独特的团簇形态，与液体电解质电池中观察到的典型晶须状树枝状锂不同。多层锂团簇最内层主要为LiH和Li⁰，其次是Li₂O，最外层为LiOH和Li₂CO₃。基于这些现象，该团队将TBAF引入电解质中，促进了SEI和电解质中纳米晶LiF的产生，显著提高了电池性能。这些结果不仅揭示了固态电池中锂/电解质界面的新现象，而且为SPE基固态电池提供了一种通用的冷冻透射电镜样品制备方法。这一研究成果为在原子和宏观尺度上理解SPE基固态电池的界面电化学开辟了新途径。

锂/聚合物电解质界面以及团簇锂枝晶的冷冻电镜表征

近年来，材料科学与工程学院以高比能二次锂电池为研究特色开展了大量基础研究，获得了多项高水平研究成果，为满足国家重大战略需求、解决新能源基础研究与工程应用中的重大和工程化问题做出了贡献。其中黄建宇教授团队迄今已获批国家自然科学基金重点项目等国家级项目多项，在Energy & Environmental Science,Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等高水平能源期刊发表论文数十篇。