下一代电池的使用寿命可能会有所提升，这得益于一项新型成像技术，它可以在锂金属电池充电过程中提供高分辨率图像。
关键要点
- 锂金属电池的能量密度可能是当前锂离子电池的两倍，但其寿命仍然很短。
- 加州大学洛杉矶分校（UCLA）团队开发了一种技术，首次实现了在锂金属电池充电时进行高分辨率成像。
- 测量锂表面形成的腐蚀层为更优的电池设计提供了线索，这项成像技术也可能在生物学等其他领域具有应用潜力。
锂金属电池尚未进入市场，但一旦商业化，或许能解决日常设备电量不足的问题。它们是广泛应用于日常电子设备中的锂离子电池的“近亲”，但理论上可储存两倍的能量。然而，目前锂金属电池充放电次数有限，成为其广泛应用的主要障碍。
不过，由加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所（CNSI）领导的一项新研究，可能会加速相关进展。该团队在《Science Advances》期刊中发表了他们发明的成像技术，首次实现了以小于光波波长的精度捕捉锂金属电池充电过程的图像。
这种方法称为“电激冷冻电子显微镜”（electrified cryogenic electron microscopy，简称 eCryoEM），提供了可用于优化锂金属电池设计的全新洞见。基于美国本土的研究推动该领域的发展，有望在这个由中国企业主导的产业中为美国提供技术领先优势。此外，这项研究还可能有助于揭示神经科学等其他领域中的关键机制。
通讯作者李宇章是UCLA Samueli 工程学院化学与生物分子工程系的助理教授，也是 CNSI 成员。他就这项突破性成果回答了一些问题。
这项研究的动因是什么？
中国几乎主导了整个锂离子电池供应链，接近 80% 的产能都集中在那里。想要与之竞争非常困难，但如果我们要推动美国经济向电动车和电网储能等方向转型，这是一个必须解决的问题。
锂金属电池或许能为美国提供“弯道超车”的机会。与锂离子电池相比，锂金属电池的能量密度几乎翻倍。然而，其循环寿命远远不足。
我们现在的锂离子电池可以承受数千次充电循环，而研究文献中表现最好的锂金属电池也仅能达到 200 次左右。其中一个主要原因是锂金属非常活泼，在与电解液接触时会形成一层腐蚀层，这一直是研究的热点问题。
eCryoEM 与传统冷冻电镜技术有何不同？
目前应用于物理科学的冷冻电镜技术本质上与生物学领域使用的相同。用于电池研究时，它们基本是“尸检”工具，只能观察电化学反应的起始和结束状态，难以捕捉过程中的变化。
而我们在过去四年开发的新技术则尝试“在电池充电时将其扔进液氮中”。为此，我们必须设计出非常薄的电池，并进行快速冷冻处理，在毫秒级时间内完成冻结，同时确保过程中不产生副反应。
我们在多个时间点冷冻电池样本。将这些时间序列图像结合起来，就像一本翻页动画书，可以动态观察腐蚀膜的生长过程。理解这个过程有助于我们设计出更优的电池。
你们发现了什么？
我们比较了两种不同的电解液体系，一种性能好，充放电次数可达 100 次；另一种性能差，仅能维持约 50 次循环。
主流观点认为，性能差异可能与腐蚀膜有关。该膜允许锂离子通过，但阻止电子通过，从而抑制电解液与锂金属之间的持续反应。一直以来的猜测是，高性能电解液中电子在腐蚀膜中的扩散速度更慢，因此腐蚀更少。
借助 eCryoEM，我们绘制了腐蚀层厚度随时间变化的曲线。在早期阶段，生长速率仅受限于锂反应的速度；当腐蚀膜变厚后，生长速率则受限于电子扩散速度。
结果显示，在扩散受限阶段，高性能电解液下的腐蚀膜生长速度确实更慢，但仅慢约 10%。然而，在反应受限的早期阶段，二者差距达到了 3 倍之多。这让我们感到非常惊讶。
这对锂金属电池的设计有何启发？
目前行业内的主流方向是优化腐蚀层的性质来限制电子扩散。但我们的研究表明，关键影响因素可能不是电子扩散速度，而是电解液的反应活性。
研究结果表明，我们应当将部分工程努力转向如何使电解液尽可能地“惰性化”。虽然这个概念并不新颖，但本研究首次量化了这种方法的巨大潜力，并指出其可能是一个非常有前景的设计方向。
此外，eCryoEM 技术本身对工程学和生命科学等多个领域也有广泛启发。
我们认为，电激冷冻电镜有望成为下一代材料科学中的主流工具。我的团队希望深入理解分子尺度下的基本反应过程，应用场景包括超级电容器和二氧化碳转化为燃料等技术。目前我们已获得 Packard 基金会的支持以开展相关探索。
我个人最兴奋的是将这项技术贡献给生物学研究领域。我的职业生涯很大程度上受益于传统冷冻电镜，这本质上是为结构生物学服务的技术。
你如何“反哺”生物学领域？
正如电池和电子设备一样，大脑的功能也依赖电信号。我们的思路是，“用不同电压刺激脑细胞，并在其动态状态下迅速冷冻”。通过观察调节离子通道的蛋白质结构变化，我们就能了解其功能机制。如果能将该技术用于疾病模型研究，或许能获得新的治疗启示。
我们非常幸运获得了美国国立卫生研究院（NIH）颁发的“新创新者奖”（Director’s New Innovator Award），这笔资助让我们能有机会探索这一方向。
UCLA 的生物学教授们对这项跨学科合作极为支持，给予了我极大帮助。我还想特别感谢研究共同作者、CNSI 电子纳米系统成像中心负责人 Matthew Mecklenburg，他是 eCryoEM 技术开发的重要支持者。EICN 的设备世界一流，团队非常鼓励探索性研究。
这就是科学的魅力，也是跨学科思想的价值所在。新领域、新理念正是由此孕育而生。
参考文献：Wang C, Kim JT, Yuan X 等人. 通过电激冷冻电镜捕捉并成像动态电池纳米界面. Science Advances. 2025;11(24):eadv3191. doi: 10.1126/sciadv.adv3191
