美國能源部太平洋西北國家實驗室查明了鋰電池當中枝晶和晶須產生的原因

科學家發現了鋰電池當中針狀結構（稱為枝晶和晶須）生長的根本原因，這些結構困擾著鋰電池，有時會引起短路，故障甚至起火。

由美國能源部太平洋西北國家實驗室的王崇民（Chongmin Wang）領導的研究表明，電解液中某些化合物的存在（使電池成為關鍵化學物質的液體材料）促進了枝晶和晶須的生長。研究小組希望這一發現找到通過操縱電池成分阻止其增長的新方法。

該研究發表在10月14日的《自然納米技術》科學期刊上。

鋰電池中的枝晶

樹枝狀晶體是微小的剛性樹狀結構，可以在鋰電池內部生長，它們的針狀突起稱為晶須。兩者都造成巨大傷害。

值得注意的是，枝晶和晶須可以刺穿電池內部稱為隔離器的結構，就像雜草可以刺穿混凝土露臺或鋪砌的道路一樣。它們還會增加電解質和鋰之間的有害反應，從而加速電池故障。枝晶和晶須阻礙了鋰金屬電池的廣泛使用，其能量密度比常用的鋰離子電池高。

鋰電池中的晶須

研究人員發現，鋰金屬電池中的晶須起源于稱為“固體電解質中間相的結構”（SEI），該膜是陽極的固體鋰表面與液體電解質相遇的膜。

此外，科學家們揭示出了枝晶和晶須生長過程中的罪魁禍首：碳酸亞乙酯，一種添加到電解質中以增強電池性能的必不可少的溶劑。

事實證明，碳酸亞乙酯會使電池容易損壞。

以上視頻顯示了納米鋰金屬電池中晶須的逐步生長過程。鋰離子開始聚集成團，形成顆粒。隨著越來越多的鋰原子凝結，結構會緩慢生長，就像石筍從洞穴底部生長一樣。然后，突然有晶須射出。

為了捕捉到枝晶和晶須的生長過程，科學家將原子力顯微鏡（AFM）和環境透射電子顯微鏡（ETEM）集成在一起。通過用原子力顯微鏡的懸臂向下推其晶須的尖端，并測量枝晶的作用力來測量生長晶須的力，從而揭示出在其成長過程中發揮的作用。

研究小組發現，碳酸亞乙酯的含量與枝晶和晶須的生長直接相關。投入的碳酸亞乙酯電解液材料越多，晶須的生長就越多。科學家們對電解質混合物進行了實驗，改變了成分以減少樹枝狀晶體。一些變化，例如添加環己酮，阻止了樹枝狀晶體和晶須的生長。

王崇民和共同研究員徐武（Wu Xu）說：“我們不想簡單地抑制樹突的生長。我們想找到根本原因并消除它們。我們利用了在電化學方面具有精湛技術的同事的專業知識。我希望這一發現將促使業界以新的方式來研究這個問題。顯然，這個問題還需要更多的研究。”

第一作者何洋（Yang He）補充說，了解晶須產生和生長的原因將導致消除或至少控制晶須的新思路出現。

該研究有望讓我們更好地掃除鋰金屬電池在電動汽車，筆記本電腦，移動電話和其它領域的進一步應用。

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