美國能源部太平洋西北國家實驗室查明了鋰電池當(dāng)中枝晶和晶須產(chǎn)生的原因

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鋰電池當(dāng)中針狀結(jié)構(gòu)（稱為枝晶和晶須）生長的根本原因，這些結(jié)構(gòu)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(lǐng)導(dǎo)的研究表明，電解液中某些化合物的存在（使電池成為關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)的液體材料）促進(jìn)了枝晶和晶須的生長。研究小組希望這一發(fā)現(xiàn)找到通過操縱電池成分阻止其增長的新方法。

該研究發(fā)表在10月14日的《自然納米技術(shù)》科學(xué)期刊上。

鋰電池中的枝晶

樹枝狀晶體是微小的剛性樹狀結(jié)構(gòu)，可以在鋰電池內(nèi)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(nèi)部稱為隔離器的結(jié)構(gòu)，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(zhì)和鋰之間的有害反應(yīng)，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(fā)現(xiàn)，鋰金屬電池中的晶須起源于稱為“固體電解質(zhì)中間相的結(jié)構(gòu)”（SEI），該膜是陽極的固體鋰表面與液體電解質(zhì)相遇的膜。

此外，科學(xué)家們揭示出了枝晶和晶須生長過程中的罪魁禍?zhǔn)祝禾妓醽喴阴ィ环N添加到電解質(zhì)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(tuán)，形成顆粒。隨著越來越多的鋰原子凝結(jié)，結(jié)構(gòu)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(xué)家將原子力顯微鏡（AFM）和環(huán)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(fā)揮的作用。

研究小組發(fā)現(xiàn)，碳酸亞乙酯的含量與枝晶和晶須的生長直接相關(guān)。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(xué)家們對電解質(zhì)混合物進(jìn)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(huán)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(xué)方面具有精湛技術(shù)的同事的專業(yè)知識。我希望這一發(fā)現(xiàn)將促使業(yè)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(chǎn)生和生長的原因?qū)?dǎo)致消除或至少控制晶須的新思路出現(xiàn)。

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(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

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