曾志远教授， ACS Nano观点：可视化二次电池反应的电化学液相透射电子显微学

第一作者：胡红璐

通讯作者：曾志远*

单位：香港城市大学，加拿大阿尔伯塔大学

近年来，在对清洁和可持续能源需求不断增长的推动下，能源化学，尤其是可充电储能技术得到了快速发展。可充电电池，如锂离子电池，因其在便携式电子产品、电动汽车和可再生能源电网中的应用而备受关注。然而，这些电池的性能和安全性在很大程度上取决于循环过程中在电极/电解质界面和电极材料内部发生的复杂电化学反应。因此，了解电池组件的结构和化学演变及其与电池性能的相关性对于优化高性能和长寿命电池的设计和制造至关重要。原位电化学液相透射电子显微镜（ELP-TEM）的优势尤为突出，它具有原子尺度的空间分辨率和实时时间分辨率，以及各种光谱和衍射功能，可以观察到电池材料在电化学循环过程中的材料形态变化、相变、界面动力学以及缺陷行为，并将其与电池的电化学性能相关联。

近日，来自香港城市大学的曾志远教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Advances in Electrochemical Liquid-Phase Transmission Electron Microscope for Visualizing Rechargeable Battery Reactions”的观点文章。该观点文章分析了电化学原位液相透射显微的结构与功能调制，同时汇总了该技术用于研究可充二次电池材料的相关进展。

要进行原位电化学TEM 实验，需要一个可插入TEM腔体并与外部恒电位仪连接的合适电化学电池。根据所用电解质的类型和状态，可采用不同的电化学电池平台，如无电解液电池、非挥发性电解液电池和液态电解液电池。每种平台在研究电池电化学反应的不同方面都有其自身的优势和局限性。开放式样品池和液态样品池的选择取决于实验目的：如果要求空间分辨率高且光束影响最小，则应选择开放式样品池。如果需要真实再现电化学界面，液态池则必不可少。通过结合这些模式，研究人员可以全面了解潜在的电化学动力学。

ELP-TEM可以观察液态电解质中的电化学反应和固液界面反应，这些反应在当前大多数电池系统中都得到了广泛应用和研究。ELP-TEM虽然实用，但也面临着限制其分辨率、可行性和适用性的挑战，例如液态电解质对电子束的干扰和液层对成像质量的影响。因此，需要从不同方面优化ELP-TEM，例如使用超薄成像窗口以获得高分辨率、使液体池结构更接近真实的电解池，以及将ELP-TEM与更多物理场耦合以进行操作测试。

电化学液相透射电子显微镜（ELP-TEM）在可充电电池反应可视化方面的应用极大地推动了我们对电池系统内发生的复杂电化学过程的理解。在未来更多精力应该集中在如何开发更坚固、电子敏感性更低的液体池材料，如何改进液态池设计以更好地模拟电池条件，以及如何采用先进的成像技术最大限度地减少光束引起的伪影。克服这些挑战将使ELP-TEM成为优化和设计高性能、长寿命充电电池的更强大工具。

Advances in Electrochemical Liquid-Phase Transmission Electron Microscope for Visualizing Rechargeable Battery Reactions

曾志远，香港城市大学助理教授，博士生导师(7月升Tenured副教授)。2006年，2008年和2013年分别在中南大学，浙江大学和新加坡南洋理工大学获得材料学的学士，硕士和博士学位。2013-2017在美国加州Lawrence Berkeley National Laboratory从事博士后科学研究。2017-2019在美国加州硅谷Applied Materials Inc.从事半导体芯片（DRAM, 3D NAND）的等离子体刻蚀（Plasma Etching）工艺研发，历任工程师、高级工程师，2019年加入香港城市大学材料科学与工程学院，2023年加入城大海洋污染国家重点实验室成为研究员。现主要从事二维TMDs材料的电化学插层剥离技术、膜分离技术、原位液相透射电镜技术等研究。

在Nat. Mater., Nat. Rev. Chem., Nat. Protoc., Nat. Synth., Nat. Water, Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., Matter, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., ACS Nano, etc.等杂志共发表SCI论文146篇（101篇IF>10），他引22158次，单篇引用100次以上论文45 篇，19 篇入选ESI 高被引论文（Web of Science），H 因子59 (Google Scholar)。2024年获香港大学教育资助委员会（University Grants Committee）新进学者协作研究补助金 (Young Collaborative Research Grant，483万港币)，2018年曾获“国家海外高层次青年人才”，曾任美国电化学协会旧金山分会秘书长（2014-2015）。

2023，2022，2020，2018四年度被科睿唯安（Clarivate Analytics）评为“高被引科学家”。2023，2022，2021, 2020四年度入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Most-cited Scientists）。2022年分别获Advanced Materials（影响因子30.85），Small（影响因子13.3）科技新星（Rising Star Series）称号，2021，2020年分别获Chemical Communications，Journal of Materials Chemistry A 新锐科学家（Emerging Investigators）称号，现任《电化学（中英文）》，Energy & Environmental Materials, Chinese Chemical Letters等杂志的青年编委。

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