本方案描述了一种剂量可控的低温扫描电子纳米束衍射（cryo-SEND）工作流程，用于表征对电子束敏感的电池界面。该方法通过结合无冰低温操作、电子束剂量控制以及基于衍射的成像技术，保持固体电解质界面（SEI）的原始状态。该工作流程包括样品制备、低温转移、电子束准直和数据采集等方面的指导。
本文内容
摘要
摘要
观察电池界面至关重要，因为它们主导着电子和离子的传输，并影响储能过程中的电化学反应。尽管如此，由于电池界面具有纳米级的厚度以及对电子束损伤的高度敏感性，其表征极具挑战性。本文介绍了一种剂量可控的低温扫描电子纳米束衍射（cryo-SEND）实验方案，可在保持其原始状态的同时实现对电子束敏感电池界面的结构分析。该工作流程的核心进展在于将无冰的低温操作与基于衍射的分析方法相结合，从而将结构敏感性与高剂量成像过程分离开来。该流程首先在惰性气氛手套箱内进行无空气暴露的样品制备，随后通过低温聚焦离子束/扫描电子显微镜（cryo-FIB/SEM）铣削制备出电子透明的薄片。我们描述了从FIB到透射电子显微镜（TEM）的优化低温转移流程，重点是使用配备保护盖的低温转移 shuttle，以在运输过程中抑制冰污染。在TEM中，通过在低温条件下执行SEND技术，对玻璃态电解质-锂金属界面处的界面结构进行探测。SEND能够在显著降低累积电子剂量的前提下，实现晶体学和结构分析。总体而言，该实验方案为研究电池界面提供了一种有效方法，并可广泛适用于各类对电子束敏感材料的低温电子显微学研究。
引言
优化电池界面，特别是固态电解质界面（SEI），对于实现稳定且高性能的可充电电池至关重要1。SEI 是由液态或固态电解质与电池电极之间发生反应所产生的分解产物所形成。一旦形成，这些界面层将调控离子和电子的传输。若离子传输不足，会显著阻碍离子迁移，并导致电池体系出现较高的过电位；而若界面无法实现电子钝化，则电解质将持续被消耗。因此，具备功能性的 SEI 必须促进快速的离子传输，同时抑制电子泄漏，以维持电池的长期循环性能。
锂金属电池具有提升电池系统能量密度的潜力，相较于传统的石墨基体系具有优势1，但锂金属表面形成的固态电解质界面（SEI）在化学上十分复杂，且对电化学条件高度敏感2。然而，随着研究领域向高负载量和快速充电等实际应用体系推进，对SEI稳定性的要求也变得更加严格。仅将SEI简单描述为“良好”或“不良”所提供的信息十分有限3。因此，对SEI进行空间分辨的表征对于揭示其结构与化学稳定性来源至关重要。
多种表征技术（如飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）4,5 和 X 射线光电子能谱（XPS）6,7）常被用于分析固态电解质界面（SEI）的组成，但这些技术的空间分辨率不足以解析SEI中异质且埋藏的结构。近年来，低温透射电子显微镜（cryo-TEM）已成为阐明SEI结构的有力工具3,8。与其它方法相比，结合高分辨率（HR）成像的cryo-TEM具有更优异的空间分辨率。尽管如此，人们日益认识到，传统的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）成像通常使用的电子剂量超过了SEI组分的稳定性极限，可能导致电子束诱导的结晶或分解9,10。因此，迫切需要开发能够明确控制电子剂量同时保持结构真实性的电子显微镜工作流程。
本实验方案的具体目标是建立一种适用于电池界面的低剂量冷冻扫描电子纳米束衍射（SEND）工作流程，重点在于可靠地表征固态电解质界面（SEI）的结构。SEND 是扫描透射电子显微镜（STEM）的一种变体，通过调节会聚半角以平衡实空间与倒易空间的分辨率，并在每个扫描位置的光栅区域上采集衍射图样11,12。由此获得包含实空间信息和倒易空间信息的四维数据集。通过调节会聚半角、探针尺寸和步长，可优化照明条件，使辐照剂量远低于临界值，同时仍能分辨纳米尺度的有序性、结晶性及异质性12。
由于现有的冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）方法主要依赖相位衬度成像，而该方法将结构可解释性与相对较高的累积电子剂量耦合在一起，因此需要本工作流程。相比之下，SEND 技术将结构敏感性与直接成像过程解耦，使得在远低于高分辨透射电镜（HRTEM）所需剂量的条件下，仍可对短程和中程有序结构进行量化10,13。在实验方案层面，SEND 解决了若干关键挑战：（i）在数据采集过程中实现系统性的剂量控制；（ii）提高对电子束敏感的固态电解质界面（SEI）相的结构可靠性；（iii）将低温样品处理与适用于异质电池界面的衍射分析方法相结合。
本文所述方法旨在研究可充电电池中对电子束敏感的界面相，包括金属锂及其他活性电极材料表面的固态电解质界面（SEI），其典型厚度在数十纳米量级。电子能量损失谱（SEND）特别适用于探测纳米尺度的异质性、非晶-晶体混合物以及短程有序结构。然而，该方法的应用受限于样品厚度、低电子剂量下的信噪比限制，以及在高度无序体系中需要谨慎进行数据解读。
本方案中，我们演示了如何开展用于电池研究的电子显微镜纳米衍射（SEND），重点介绍样品制备和数据采集步骤。我们还讨论了减少结霜的方法，特别是在制备电子透明样品时，因为霜污染可能掩盖固体电解质界面（SEI）的特征，并使衍射分析复杂化。这些方法为可重复、无伪影的电池界面表征提供了详细的指导。该技术不仅适用于SEI的表征，还可应用于其他涉及电子束敏感材料的体系。
电子透明性是透射电子显微镜（TEM）观测的前提条件。在本研究中，我们展示了两种互补的工作流程以制备电子透明的电池样品：原位网格TEM制样和低温聚焦离子束（cryo-FIB）铣削14,15。当样品本身较薄或由低原子序数材料组成时（例如锂金属片或纳米颗粒），可采用网格上直接制样法，将样品直接转移或电化学沉积至商用TEM网格上。然而，该方法可能破坏电池界面原有的结构完整性。电池材料本质上具有异质性，因此在TEM观察过程中保持其机械结构和界面结构至关重要。此外，网格上制样的常规步骤通常需要冲洗以去除液态电解质，这可能导致松散结合或脆弱的SEI组分丢失，从而改变原始界面结构。
相比之下，冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）方法能够在保留埋藏界面和玻璃态电解质的同时实现特定位置的减薄，因此在必须维持电池界面原始形貌和化学状态时，该方法成为首选。冷冻FIB铣削可在各种电池结构中实现可控且可重复的电子透明度，不受初始样品厚度或液态电解质存在的影响。在本方案中，我们介绍了两种制备策略，并概述了各自的优势与局限性。同时，我们强调冷冻FIB工作流程是表征电子束敏感型电池界面结构的一种可靠方法。
方案
1. 在透射电镜载网上的锂电沉积
- 将所有电池部件及内部化学品置于手套箱连接的过渡腔室内干燥过夜，时间不少于12小时。随后在氩气环境中储存至少24小时，以彻底去除任何残留水分。
- 将铜箔放置于标准CR-2032型正极扣式电池壳中。在锂沉积前，无需去除铜箔表面的天然氧化层。
注意：本实验方案中无需去除氧化层（例如通过稀盐酸处理），否则可能引入不可控的表面化学反应。 - 制备用于透射电子显微镜（TEM）分析的电子透明电池样品。虽然刮取电池电极材料并将其转移至TEM载网是常见方法，但本方案要求通过电化学方法将金属锂直接沉积在铜网TEM载网上。
注意：由于金属锂是最轻的元素之一，在标准TEM工作条件下（电子加速电压为200 kV），很容易实现电子透明性。相比之下，也可通过低温聚焦离子束（cryo-FIB）lift-out技术制备电子透明样品。请仔细阅读本方案以确定相应的工作流程。- 若目标是将锂沉积在TEM载网上，则将网格载网（300目）放置于铜箔上。当使用低温聚焦离子束（cryo-FIB）制备电子透明样品时，应使用单层铜箔而非TEM载网。
- 将电池隔膜置于铜箔上方。
注意：建议使用聚丙烯基隔膜，因其易于从电极上剥离，便于后续表征。表面活性剂涂层隔膜适用于碳酸酯类电解液，且应使用单层聚丙烯基隔膜。 - 在隔膜上放置标准金属锂片或轧制的金属锂箔（直径约8 mm）。通过滚动或刮擦方式去除锂片或锂箔表面的氧化层。
注意：金属锂片表面通常已存在约10 nm厚的氧化层，刮擦可有效去除该表面层。 - 向隔膜中注入液态电解液（80–100 µL）。通过混合无水有机溶剂与锂盐来配制电池电解液。有机溶剂需为无水状态，因此应使用活化分子筛过夜处理以去除微量水分残留。锂盐在使用前需在70 oC下干燥过夜，随后转移至手套箱中使用。
- 将负极壳置于金属锂负极上方，随后在1.1吨压力下压封扣式电池。将组装好的电池从手套箱中取出。在电流密度为0.5 mA/cm2的条件下，以1 mAh/cm2的容量进行电化学沉积，使锂在铜箔上析出。
注意：沉积过程仅在电解液充分浸润电极后开始，通常在电池组装完成后约12小时方可启动。
2. 透射电镜样品制备（载网法）
注意：透射电子显微镜（TEM）样品可通过两种途径制备。一种是通过冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）切割提取，另一种则无需使用冷冻聚焦离子束。本文讨论的是不使用聚焦离子束的步骤。当需要采用冷冻聚焦离子束程序时，请参照另一方法进行。
- 锂沉积完成后，在手套箱内使用去封装工具打开锂扣式电池。在铜箔上可观察到锂金属沉积在透射电镜（TEM）载网上；取出这些TEM载网。
- 通过移除隔膜后取出TEM载网，并进行冲洗。冲洗过程中应使用适当的溶剂：例如，对于碳酸酯类电解液，使用碳酸二甲酯（DMC）或碳酸二乙酯（DEC）；对于醚类电解液，使用二甲氧基甲烷（DME）。
- 将适量溶剂滴加到TEM载网上，并用实验室擦拭纸从边缘吸除溶剂；重复多次以彻底去除残留溶剂。最后，将载网浸入装有适量溶剂的小型离心管（约1 mL）中，以去除痕量的盐残留物。将载网放入充满氩气的过渡室中，在真空条件下干燥5–15分钟。
- 将载网放入冷冻透射电镜（cryo-TEM）载网盒中。
注意：载网盒的隔间可能与电池溶剂发生反应，因此必须确保在真空干燥过程中完全去除溶剂。 - 用针式盖子封闭载网盒，然后将载网盒放入可压紧密封袋中。
注意：使用前这些袋子不得含有任何水分残留。在使用前，必须在真空条件下至少干燥过夜。 - 通过过渡室取出袋子，并立即放入长颈液氮瓶中。当载网盒处于液氮中时，将袋子剪开一半，使载网盒释放到液氮中。
注意：这一系列操作可最大程度减少样品接触空气。操作时应佩戴带侧护罩的安全眼镜或护目镜、棉质手套外加一次性丁腈手套，并使用隔热镊子或钳子操作样品。在房间之间转移样品时，应佩戴厚的低温防护手套。 - 使用长镊子操作载网盒，并在进行冷冻扫描透射电镜（cryo-STEM）表征前，将载网盒放入50 mL锥形管中。
注意：样品可在大型液氮储存罐中保存数周至数月。我们未观察到液氮储存期间样品出现明显降解；但理想情况下应尽快完成样品检测。
3. 透射电镜样品制备（冷冻聚焦离子束/扫描电镜法）
注意：该流程可保留样品中的液体电解质，并且无论样品初始厚度如何，均可实现电子透明性。
- 锂沉积完成后，使用压接工具打开扣式电池。取出带有锂沉积物的铜箔，并将其放置于FIB-SEM样品 stub 上。
注意：使用机械夹具将样品牢固固定在stub上，可防止在低温下碳胶带失去粘性时样品丢失。 - 将stub放入可按压密封的袋子中，并通过手套箱的传递舱将其取出。
注意：电池电解液具有挥发性，整个制样过程应在数分钟内快速完成，随后立即进行淬火处理。 - 将充满氩气的袋子迅速浸入液氮中淬火，然后剪开袋子释放内容物。由于样品在淬火后变脆，请小心操作SEM stub。在进行FIB/SEM操作前，将其放入50 mL锥形管中保存。
注意：请佩戴适当的个人防护装备（棉质手套和护目镜）。 - 通过真空转移系统将低温样品送入冷冻FIB/SEM载台。使用带盖的冷冻FIB/SEM转移 shuttle，以尽量减少冰的沉积。
注意：任何残留的湿空气和水分子将沉积在低温的盖子上，从而避免样品受到霜冻污染。我们亦使用无盖的shuttle进行对比（图1）。 - 沉积约3 µm厚的有机金属铂，使用30 keV的Xe等离子体离子源，在沉积过程中以100 pA的离子束扫描进行固化。每30秒暂停一次沉积，以最低放大倍数在10 nA下扫描已固化区域，以形成平滑的铂保护层。持续沉积铂5分钟，以达到所需厚度。
- 使用30 nA和10 nA电流切割并提取目标区域。在制备薄片（lamella）时，逐步降低电流至5 nA和1 nA。持续减薄直至薄片厚度达到1 µm。
- 利用再沉积材料将薄片焊接到低温纳米操纵器上并提取。将薄片固定在铜质半网格（Cu half grid）上。
- 从离子束角度倾斜1.5°，在300 pA条件下从两侧对薄片进行减薄。进一步减薄时将电流降至50 pA。最终减薄使用20 pA、5 kV的条件进行。
- 将减薄后的薄片转移至液氮工作站。
注意：有关冷冻FIB减薄方法的详细信息，请参阅参考文献8,10,16,17,18，以进行原位网格TEM样品制备或冷冻提取，从而获得电子透明的样品。冷冻提取方法已有报道，包括使用再沉积法19或低温夹持器20，随后将样品焊接到商用TEM半网格上。该半网格应与槽型网格组装，以便在液氮条件下方便操作2,6。 - 将使用过的锂金属沉积物妥善处理，或保存在液氮中以备后续使用。将锂金属沉积物置于通风橱内的烧杯中，并使用长镊子操作。
注意：电解液具有挥发性。当从液氮中取出样品进行处理时，应立即将其放入密闭容器中，再转移至通风橱。进入通风橱后，打开容器并将内容物转移至烧杯中。让锂金属样品在空气中缓慢反应后，再进行最终处置。
4. 光束校准
- 某些显微镜不提供自由透镜控制系统；在这种情况下，无法进行 SEND 表征。更换聚光镜 2 和 3，以实现 2 mrad 的半收敛角。使用单晶（如 Si 薄片）来获得所需的角度。如果电子衍射图样在探测器上聚焦不良，请调节衍射聚焦（第一中间镜）。
- 在 200 keV 下使用 STEM 模式定位样品，尤其是在低倍率（例如 10k）下观察时，应尽量避免电子束对样品造成损伤。调节 Z 高度以接近等倾聚焦位置。
注意：在使用 SEND 之前，必须对电子束进行对准，以获得所需的收敛半角。 - 通过调节 CL3（聚光镜）或微型透镜来调整收敛角。在角度调整完成后，利用真空区域，在探针成像模式下通过调节物镜聚焦来聚焦探针。使用倾斜校正控制功能补偿电子束倾斜，以最小化去扫描效应，并在扫描过程中保持衍射图样居中。
- 在衍射模式下，调节衍射聚焦以最小化中心光束中的菲涅尔条纹。移动至纳米晶区域（如 Pt 沉积区）。在多晶衍射环上调节物镜/衍射散光校正。当改变衍射聚焦时，确认衍射环呈圆形，且中心光束中的菲涅尔条纹分布均匀。
- 将这些自由透镜对准设置保存在 TEM 软件中。
注意：这些设置可在后续实验中重复使用，但每次实验之间需要重新调整。 - 最后一步，在对样品成像的同时调节聚光镜散光校正。
注意：此步骤中不宜改变物镜聚焦；可通过调节样品高度进一步优化聚焦。 - 测量束流以估算不同光斑尺寸下的电子剂量。
注意：我们使用直接电子探测器测量束流。请参考相机厂商手册了解束流测量方法。在 STEM 模式下，您将测量特定像素时间内撞击探测器的电子数量。当严格限制总累积电子剂量时，该参数至关重要。 - 使用单晶重新测量收敛半角。
注意：因此，我们需要真空区域、纳米晶体和单晶来对准电子束系统。值得注意的是，电子束对准后，STEM 的实空间校准会发生变化，特别是当物镜聚焦发生变化时。因此，出于此原因，我们不建议在创建不同照明条件时调节物镜。 - 参考 TEM 手册重新校准实空间分辨率。此外，校准相机长度以确定衍射空间中的散射矢量。
- 使用单晶或纳米晶测量衍射相机校准。请记住，在每次对准时都需重新校准 STEM 探测器的实空间分辨率。
- 在每种相机长度下记录衍射相机长度校准数据。如果在不同对准过程中使用了不同的衍射聚焦设置，请保存校准数据并在数据处理时重复使用。
注意：所有准备工作现已完成，可进行后续表征。
通过低温-SEND表征电池界面/界面层
- 在液氮杜瓦瓶中准备好液氮。取出装有冷冻-STEM样品的冻存盒，并将其倒入液氮杜瓦瓶中。按照常规实验步骤，通过生物样品的工作流程处理冷冻-TEM样品。
- 将载网盒放入冷冻-TEM工作站中的液氮内。确保在放置载网盒前，该工作站已充满液氮。打开针型盖后，取出一个TEM载网，轻轻将其插入冷冻-TEM样品杆的尖端。在装载过程中，确认样品杆温度读数低于 -160 oC。
- 关闭快门，并立即将样品杆插入透射电镜（TEM）测角台中。插入冷冻-TEM侧插式样品杆时，请遵循仪器制造商的操作说明。确保在工作站中准备样品杆时，其O型密封圈未被冻结。当样品杆在测角台中抽真空10分钟时，同时对O型圈进行加热。
注意：当真空度稳定在低于 2 × 10-5 Pa 时，应始终移除快门（防污染装置），并参考仪器使用手册。
- 在低倍率下定位样品。选择感兴趣的区域，例如SEI层。划定感兴趣区域并采集纳米束衍射图样。调节像素时间与步长，以限制累积总电子剂量。
注意：我们发现100–300 e-/Å2 的电子剂量足以分辨SEI中的结构特征。然而，用户可根据所用体系探索其临界剂量。本实验中采用13 ms的像素时间与4 nm的步长。根据相机/电子探测器的性能，判断是否需要使用束流挡板。在本实验中，无论是直接电子探测器还是闪烁体相机，均未使用束流挡板。- 记录成功成像的视觉判断要点：
- 确保薄片足够薄，使所有组分均可清晰区分；例如，在暗场STEM模式下，锂呈现非常深的衬度，而SEI则表现出最亮的衬度。确认SEI包裹在锂金属沉积物周围，并被玻璃态电解质与锂金属夹在中间。
- 确认玻璃态电解质无明显孔洞且连续完整。若出现孔洞，表明成像时电子束流过高。在样品导航过程中应使用低倍率，以避免电子束损伤。
- 记录成功成像的视觉判断要点：
- 在调整中心电子束位置时，切勿将电子束停留在感兴趣区域上。应使用无样品区域将透射束对准中心。
注意：为减少相机可能引入的伪影，需进行增益校正和暗场参考校正。请参考相机使用手册。 - 移除HAADF探测器，以在高角度下采集衍射图样。
注意：若使用较短的相机长度，则此步骤可能无需执行。 - 根据实验需求优化相机分辨率、数据存储/传输速度及总采集时间。利用TEM软件对数据进行软件或硬件 binning 处理。
注意：相机分辨率可在128至2,048之间变化。数据后处理工具支持后期 binning。若分辨率设置过高，总扫描时间将过长，可能导致数据采集过程中出现漂移。 - 为获得结果所用数据采集的详细信息，请使用10 µm的探针形成光阑，探针尺寸设为7，相机长度为250 mm。设置像素时间为13 ms，步长为4 nm，相机像素分辨率为512。
注意：探针电流为3.5 pA，测量所得电子剂量约为80 e-/Å2。此阶段成功的标志是：锂的衍射图样显示出清晰的110或200晶面衍射斑点，且无冰的衍射特征。此外，SEI应表现为非晶衍射特征，而非晶体衍射峰。若出现晶体衍射峰，表明SEI在采集过程中发生了辐射分解。此时应更换至另一SEI区域，并至少将电子剂量降低一半。持续降低剂量，直至衍射图样不再显示纳米晶特征。 - 采集完成后，使用快门或关闭电子束，避免在多次扫描同一区域时造成电子束损伤。
- 完成4D STEM数据采集后，获取一幅STEM图像，以观察测量前样品是否发生明显变化。
注意：通常，若电子剂量过高，可观察到气泡形成或质量损失现象。此时应通过调节探针电流、步长或像素时间来降低电子剂量。
6. 使用电子能量损失谱（EELS）观察固态电解质界面（SEI）中的结构损伤
- 11 pA 型 使用光斑尺寸9和30 mm的孔径进行EELS测量时的探针电流。
- 使用2 cm的相机长度，对应半收集角为83.3 mrad。
- 对于 Li-K 边 EELS 和 O-K 边 EELS，分别使用 0.5 ms 和 10 ms 的像素时间。
- 为Li-K和O-K边EELS设置6 nm和8 nm的步长。
- 重复测量以追踪光谱的变化。
7. 样本回收
- 关闭冷冻透射电镜（cryo-TEM）样品杆的防污染器。再次用液氮填充样品杆工作台。在填充前，确保工作台无水分冷凝。使用热风枪或吹风机去除残留水分。
注意：不要直接对着工作台前方吹风，以免因受热而融化。应使用温和的温度去除水分。 - 将样品杆从测角器上取下，并立即放入工作台中。打开防污染器，将样品重新收集到低温载网盒中。将载网盒存放在大型液氮抽屉中。
注意：根据透射电镜室内的湿度情况，需注意此步骤中样品可能产生霜污染。
8. 数据处理
注意：数据以专有格式存储。请使用开放获取软件 Py4DSTEM21 或 PyXem22（基于 Hyperspy 的 Python 环境）打开 4DSTEM 数据格式。
- 在软件中校正去扫描（descan）和物镜像散。这将校正每个实空间（X,Y）中的中心电子束位置，并校正倒易空间（Kx, Ky）中的椭圆度。
注意：请使用软件教程学习如何执行基本的数据处理。 - 完成基本预处理后，从感兴趣区域采集衍射图样，并将二维数据转换为一维数据。衍射强度信号将在散射矢量空间（倒易空间）中获得。使用背景扣除方法以增强信号。如有需要，可将强度乘以散射矢量（Q）以提高信噪比，或使用散射矢量的平方（Q2）。
注意：每个像素均可产生衍射信号。 - 对实空间数据进行合并（binning）以增强衍射信号：合并探测器像素以减少数据处理时间（具体取决于工作站的计算能力）。
注意：精确的命令语法和用户界面可能因软件版本和执行环境（基于脚本或基于笔记本）而异。请参考 Py4DSTEM 和 PyXem 的官方文档及教程，获取特定版本的实现细节。
结果
图1 展示了冷冻-SEND实验中良好与较差样品制备的示例。在使用低温FIB/SEM制备电池样品时，避免霜冻污染对于实现足够的电子透明性并避免引入假象至关重要。在低温FIB/SEM载台上制备出薄片后，样品将被转移至常温环境中。在完全浸入液氮之前，这些薄片极易形成冰层。为解决这一问题，我们开发了一种带有盖子附件的低温FIB/SEM转移载具，以防止冰污染。
图1：冷冻-SEND 制样的良好与不良示例。（A）常规碳酸酯电解液（1 M LiPF6 溶于碳酸乙烯酯/DMC（1:1 v/v））中形成的锂金属沉积物的冷冻提取截面的扫描电镜（SEM）图像。（B）该薄片从冷冻聚焦离子束/扫描电镜（cryo-FIB/SEM）载台转移后获得的冷冻扫描电镜图像。该薄片严重受到厚重霜冻污染。（C）高浓度醚类电解液（4 M LiFSI 溶于 DME）中形成的锂金属沉积物的另一块冷冻提取薄片。（D）通过带盖转移舱转移后获得的冷冻透射电镜（cryo-TEM）图像。转移后未见冰污染。锂的110衍射斑清晰可见，且未观察到冰的衍射信号。（E）一幅放大后的扫描透射电镜（STEM）图像，电池材料的形貌特征保存良好，适用于进一步的冷冻-SEND 实验。缩略语：SEND = 扫描电子纳米束衍射；DMC = 碳酸二甲酯；DME = 二甲氧基乙烷。请点击此处查看该图的高清版本。
图1A、B展示了一个冰污染严重的情况，后续分析因冰层的存在而受到显著影响。尽管在FIB/SEM腔室内进行铣削时观察到的冰较少，但在样品转移至透射电子显微镜（TEM）柱体后，薄片上沉积了大量霜层，如HAADF-STEM图像所示。本案例中，转移过程使用了标准SEM样品台，未加装保护罩。当采用配备防污染盖的转移夹具时，冰污染水平显著降低，如图1C–E所示。具体而言，在冷冻FIB/SEM样品台中制备了一块提取薄片（图1C），随后将其转移回液氮中。在此步骤期间，当释放真空时，保护盖可防止样品暴露于环境湿气，从而保持样品无冰。图1D显示了一块洁净的提取薄片，插图中为其衍射图样，显示出Li的110 衍射斑点。这表明不存在六方密堆（HCP）或立方冰相的特征信号。尽管在STEM模式下冰的衬度更为明显，但在图1E中，该薄片完全无冰。
尽管这种新的SEM/FIB转移载台在很大程度上防止了霜冻污染，但在操作过程中，残留在液氮中的大冰晶仍有可能附着在薄片上。这在冷冻电镜工作流程中无法完全避免。然而，通过在干燥室（10–15%湿度）中操作样品，并使用未暴露于空气中超过20分钟的洁净液氮，可将污染降至最低。有人可能会考虑使用电子束辐照去除冰，但电池电解质和固态电解质界面（SEI）对电子束的敏感性与冰相当，此类尝试很可能在后续表征之前就已损坏结构。网格内方法已在多项研究中常规实施3,15,17，且霜冻污染极少。这是因为该方法无需从冷冻FIB/SEM到透射电镜（TEM）柱之间进行额外的样品制备步骤。然而，如果实验控制不够严谨，霜的形成和大冰晶的附着在工作流程中仍可能构成问题。由于该方法本身会产生多个感兴趣区域，因此总体而言，冰污染的影响较小。
图2：锂金属晶粒、玻璃态电解质和SEI的扫描电镜图像。（A）从醚类电解质（DME中含4.6 M LiFSI和2.3 M LiTFSI的混合物）中电化学沉积的锂金属的低温提拉薄片。图像显示了较大的锂晶粒，表明电解质及其形成的SEI在致密锂晶粒的形成过程中起着关键作用。（B）通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）成像获得的锂金属沉积物与电解质界面处的SEI。制备的薄片足够薄（约100 nm），可清晰分辨锂金属晶粒、电解质和SEI的所有特征。放大的STEM图像显示，玻璃态电解质中气泡极少，代表了连续进行SEND采集的理想条件；否则，电解质会释放出气泡。比例尺 = 5 µm（A），1 µm（B）。该图经参考文献9许可转载。版权所有 2025 美国化学会。缩写：LiFSI = (双（氟磺酰）亚胺锂) LiTFSI = 双（三氟甲磺酰）亚胺锂，DME = 二甲氧基乙烷，SEI = 固体电解质界面，SEND = 扫描电子纳米束衍射 请点击此处查看该图的放大版本。
图2A展示了通过电子透明的冷冻提取薄片获得的电池组件的扫描电镜（SEM）图像。玻璃态电解质得到了良好保存，相应的高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像如图2B所示，显示在锂金属沉积物与玻璃态电解质之间存在一个40 nm厚的电池界面层 ，该区域将用于进行冷冻-扫描电子纳升电喷雾（cryo-SEND）实验。此外，薄片中无冰存在，使我们能够最大化可用于结构表征的区域数量。电解质与锂金属晶粒之间固体电解质界面（SEI）层的存在表明样品制备方案已成功实现。
图3：两种电池电解质中形成的SEI的衍射分析。 图中高浓度指DME中4.6 M LiFSI与2.3 M LiTFSI的混合物。（A）在每种电解质中形成的锂金属沉积物的HAADF-STEM图像（左）及其对应电解质中SEI的衍射图样。（B）SEI的衍射谱显示，不同电解质中形成的SEI在结构上存在差异。图A中的比例尺分别为：STEM图像100 nm，衍射图样5 nm-1。SEI的结构被确定为非晶态，这是本方案中精心选择电子剂量所得的关键结果。此外，未产生冰层的样品所提供的衍射图样不含霜冻相关的衍射干扰，使我们能够单独解析出SEI的衍射图样。该图经参考文献10许可使用。版权所有 2025 美国化学会。缩写：LiFSI = (双(氟磺酰)亚胺锂) LiTFSI = 双(三氟甲磺酰)亚胺锂，SEI = 固体电解质界面，HAADF-STEM = 高角环形暗场扫描透射 电子显微镜。请点击此处查看此图的放大版本。
图3A比较了在低浓度醚类电解质（1 M LiFSI溶于二甲氧基乙烷（DME））和高浓度醚类电解质（4.6 M LiFSI和2.3 M LiTFSI溶于DME）中形成的固体电解质界面（SEI）结构。在控制电子剂量下进行冷冻-扫描电子衍射（cryo-SEND）后，SEI结构呈现非晶态，表现为SEI中各向同性的特征。在约1 nm探针尺寸分辨率下，这些非晶特征的尺寸小于探针的空间尺度，因而呈现出各向同性的非晶特征。两种SEI结构明显不同：来自中等浓度电解质的SEI未显示出可检测到的结构相关性，而来自高浓度电解质的SEI则表现出短程有序。该短程有序具有两个特征键合峰，分别在约0.3和0.65 Å-1处达到最大值，如图3B所示。这表明，两种不同电解质体系形成的SEI在结构上存在差异，可能影响其力学和化学性质。这些结论基于从同一薄片多个区域（通常为10–20个区域）获得的衍射测量结果，并在每种电解质体系至少两个独立制备的薄片中重复验证。与这些测量相关的衍射成像结果见参考文献10。
此外，严格调控累积剂量对于提高数据可靠性以及获取样品在天然状态下的化学和结构信息至关重要（图4）。我们发现，过高的电子束剂量会严重破坏SEI的天然结构。例如，当剂量限制在约500 e-/Å2高浓度电解质中形成的SEI结构仍为非晶态，但当累积剂量超过阈值后，开始出现结晶化。EELS谱图中 图4A，B 显示锂的逐步形成2O 随电子剂量变化。重复的 SEND 测量证实，电子束照射促使 SEI 形成 Li2O (图4C）。采用选区电子衍射技术研究了不同电解质的临界电子剂量9高浓度醚类电解质在剂量超过 500 e 时显示出纳米晶体成核现象-/Å2相比之下，1 M浓度电解质的关键剂量约为1000 e-/Å2.
图4：SEI膜的电子束损伤研究。（A）高浓度电解液中SEI膜的Li K边和（B）O K边随电子剂量的变化。（C）SEI膜在过量电子剂量照射前后的衍射图谱。原始SEI膜中不含Li2O，且Li和O的K边谱图均较宽；但当电子剂量超过阈值时，SEI膜容易形成Li2O纳米晶体。因此，采用推荐的电子剂量至关重要；否则，SEI膜极易受损，导致结构发生变化。该图经参考文献9,10许可改编。版权所有 2025 美国化学会。 请点击此处查看该图的高清版本。
讨论
成功完成这些实验有两个关键步骤。第一步是避免透射电子显微镜（TEM）样品上形成霜和冰。如上所述，固态电解质界面（SEI）对电子束敏感，在过量电子束照射下容易发生结构变化。冰层可通过电子束辐照去除，但该过程可能需要较大的电子剂量，尤其是当冰层较厚时，例如在 图1B一旦形成冰层，样品在发生损伤前可承受的剩余电子剂量会在SEND和EELS测量过程中迅速耗尽。在不利情况下，结构可能在实际测量开始前就已完全损坏。因此，尽量减少霜冻并防止大冰晶的形成至关重要。利用我们新设计的冷冻FIB/SEM转移载台，我们展示了 在冷冻聚焦离子束/扫描电子显微镜与冷冻透射电子显微镜之间的无冰转移。
第二个关键步骤是控制电子束剂量。扫描电子衍射（SEND）非常适合控制电子剂量，而这一点在高分辨率透射电子显微镜（TEM）技术中难以实现。通过调控会聚角和步长，可以精确控制电子剂量。与TEM工作流程不同，SEND无需反复进行调焦/离焦调整，也无需在高剂量条件下对样品进行导航，这两者均可能导致样品暴露于较高的累积剂量下，尤其是在高倍率成像时。此外，高分辨率TEM成像需要达到原子尺度的稳定性，否则图像质量会下降。因此，获得高质量图像通常需要多次曝光，这进一步增加了累积电子剂量9。然而，这些情况并不适用于对电子束敏感的软材料（SEIs）。相比之下，SEND允许所有数据采集均在低倍率下完成，仅有目标剂量的电子束穿过感兴趣区域。在讨论部分末尾，我们列出了一项故障排除的子章节。
使用扫描电子衍射（SEND）进行固态电解质界面（SEI）表征的一个局限性在于其空间分辨率，通常仅限于亚纳米到几纳米的范围。这是由于实空间分辨率与倒易空间信噪比之间存在权衡关系。增大会聚半角会降低衍射强度，这对于衍射信号本身较强且有时还可通过通道效应进一步增强的晶体材料而言是可以接受的23。然而，对于SEI等非晶材料，会聚半角必须保持足够小，以在实现亚纳米探针尺寸的同时维持足够的衍射强度。在我们的实验中，将会聚半角优化至2 mrad，探针尺寸为1 nm。
在实际操作中，步长无法达到探针尺寸那样小。当考虑电子束损伤时，实际步长应约为数纳米，若步长过小，则会因超过临界剂量而导致固态电解质界面（SEI）被破坏。因此，与高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）相比，扫描电子显微镜断层成像（SEND）的空间分辨率较低，可能限制我们对纳米尺度特征的分辨能力，因为某些SEI层的厚度仅为1-10 nm。当电极与玻璃态电解质在投影中发生重叠时，夹在二者之间的SEI更难以分辨，问题变得更加严峻。此外，电极厚度的不均匀性也可能在分析过程中使三维到二维的投影变得复杂。因此，为了优化SEND对SEI的表征，必须仔细权衡若干挑战与方法学上的取舍。
尽管我们主要在液态电解质中形成的SEI上展示了该技术，但该方法同样适用于固体电极与固体电解质之间的界面。由于这些界面在拆解过程中容易发生形变和损伤，且固体电解质具有较大厚度，使得通过离子束铣削制备横截面十分困难，因此保持其原始状态颇具挑战性。然而，优化的FIB策略可能实现对这些界面的观测。例如，从集流体侧进行铣削，并精确控制锂沉积的厚度，或可制备出约20 µm深的薄片，适用于低温-SEND实验。
故障排除与实践指导
霜或冰污染
在低温转移过程中，霜污染是一种常见的故障模式，在STEM-HAADF图像中可能表现为冰颗粒的斑点状特征。在透射电子显微镜（TEM）图像中，冰通常不易被察觉，但在欠焦或过焦条件下会变得更加明显。六方或立方冰晶产生的衍射图样也是污染的标志，可能与来自固态电解质界面（SEIs）的信号重叠，从而影响结构解析的准确性。
当存在严重结冰时，一种缓解策略是使用平行电子束（约 10 e⁻/Å2·s）去除冰颗粒。尽管这可能会对束流敏感区域造成损伤，但仍可能获得可用的衍射数据，并可作为评估 SEI 束流耐受性的参考。预防策略包括通过尽量减少环境暴露时间、确保样品传输 shuttle 足够低温，以及使用干燥室或除湿环境来改善冷冻转移条件。强烈推荐使用带盖的冷冻 FIB/SEM shuttle。还需注意，六方晶系和纳米晶冰的形成通常源于转移过程控制不当，而较大的立方冰晶体则常由不纯的液氮引入。因此，液氮在接触样品薄片时应始终保持高纯度。
电子束诱导损伤
电子束照射引起的结构退化是另一个重要问题。电子束损伤的迹象包括衍射特征的逐步变化，例如从非晶态向晶态结构转变，特别是 Li₂O 的形成。这些变化在多次扫描后可能变得不可逆。EELS 数据也可能表现出逐渐的谱峰偏移，而在严重情况下，玻璃态电解质在高倍扫描时可能产生气泡。
为降低电子束损伤的风险，用户应缩短像素驻留时间以减少累积总剂量。其他缓解策略包括在选择成像参数和定义感兴趣区域时，缩短停留时间、增大步长以及使用较低放大倍数。这些调整有助于在数据采集过程中保持原始固态电解质界面（SEI）结构的完整性。
披露
作者声明不存在竞争性财务利益。一位共同作者受雇于徕卡显微系统公司。徕卡显微系统公司未对本研究的设计、数据收集、分析或解释产生影响。
致谢
H.J.K. 感谢布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心（CFN）的支持，该中心是美国能源部科学办公室下属的用户设施，项目合同编号为 DE-SC0012704。本工作部分得到了美国国家科学基金会（NSF）材料研究部（DMR）未来制造研究基金 #2134715 的资助。部分工作在宾夕法尼亚大学纳米技术辛格中心完成，该中心是国家纳米技术协调基础设施（NNCI）网络的成员，由美国国家科学基金会（基金号 NNCI-2025608）提供支持。纳米技术辛格中心的纳米表征设施还通过宾夕法尼亚大学材料研究科学与工程中心（MRSEC）（DMR-2309043）获得美国国家科学基金会的额外支持。H.J.K. 和 E.A.S. 感谢徕卡显微系统公司 Saskia Mimietz-Oeckler 提供的技术支持。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 锥形管 | Eppendorf | 339652 | |
| Cryo FIB 载台及配套转移设备和工具 | Leica Microsystems | ||
| DEC（碳酸二乙酯） | Sigma Aldrich | D91551 | |
| 直接电子探测器 | Gatan Metro | ||
| DME（二甲氧基乙烷） | 259527 | Sigma Aldrich | |
| EC（碳酸乙烯酯） | Sigma Aldrich | E26258 | |
| Kim 擦拭纸 | 实验室擦拭纸 | ||
| 锂金属芯片 | Xiamen TOB New Energy Technology Co. | ||
| LiFSI（双(氟磺酰)亚胺锂） | American Elements | LI-FSI-03-P | |
| LiPF6（六氟磷酸锂） | 013950 | Oakwood | |
| LiTFSI（双(三氟甲磺酰)亚胺锂） | Sigma Aldrich | 919977 | |
| TEM 网格载网 | Pelco | 1GC200 | |
| 显微镜 | JEOL | F200 | |
| 聚丙烯隔膜 | Celgard | 3501 | |
| 基于闪烁体的探测器 | Gatan Oneview |
参考文献
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