（1）在透射电镜中创造出一种基于离子液体锂离子电池，实现了对锂离子电池充放电过程的原位动态高分辨观察。

（2）发明了一种与电镜匹配的全固态电池，成功实现了对锂嵌入硅纳米线的原子尺度的观察。

（3）发现了锂嵌入晶体硅的临界尺寸效应。

（4）发明了一种制造大块纳米晶的新方法（Repetitive Corrugation and Strengthening，RCS)，并对 RCS 晶粒细化机制进行了系统研究。

（5）发现了纳米碳管的超塑性。

长期从事纳米能源材料领域的研究，建立了多种纳米科学和能源材料透射电镜-探针显微镜（TEM-SPM）原位定量测量技术。在国际上率先制造出在高真空度电镜中工作的锂电池，发明了在原子尺度实时观察锂离子电池充放电过程的新技术，开创了原位纳米尺度电化学研究的新领域，为研究有关锂离子电池的关键性课题提供了有效的技术条件，为研发高能量密度、高功率密度、长寿命锂电池提供了坚实的科学基础。系列研究成果发表在 Science、 Nature Nanotechnology、Physical Review Letters、Nano Letters、ACS Nano 等杂志上，其中 Science 330,1515-1520 (2010) 的 SCI 单篇引用已达 833 次, ACS Nano 1522-1531 (2012) 的 SCI 单篇引用也达 693 次。这一原位电镜实验方法和技术已被许多国际著名学术机构采用并开展后续的研究工作，包括斯坦福大学（Stanford）、麻省理工（MIT）、佐治亚技术大学（Georgia Institute of Technology）等。 迄今为止，发表论文 204 篇，其中 Nature 1 篇、Science 1 篇、Physical Review Letters 11 篇、 Nature Nanotechnology 3 篇、 Nature Communications 3 篇、Nature Methods 1 篇、 PNAS 1 篇、Nano Letters 25 篇、 ACS Nano 8 篇、 Advanced Materials 3 篇；引用总次数超过 17000 次，H 指数为 68, 特邀报告 80 余次，撰写特邀综述 4 篇。主持或者共同主持美国能源部和自然科学基金等 13 项，主持经费合计约 450 万美元（近 3000 万元人民币）。 2000 年荣获美国科学信息研究所(ISI)颁发的“经典引文奖”。2 次担任美国能源部项目评审专家，12 次担任美国国家基金评审专家。组织和共同组织 9 次国际学术会议，并担任多次国际学术会议分会主席。 申请人的研究成果得到了学术界的广泛关注和高度评价，许多国际著名学术媒体进行了专题报道，包括 Nature, Nature Nanotechnology, New York Times, New Scientist, Chemical Engineering News, MRS, MRS-enews, and Materials Today, EETimes, United Press International, Nanotechweb, Science Daily, Science News Daily, Sandia Lab. News 等。