科学家查明了锂电池中有害枝晶和晶须的原因

科学家发现了针状结构(称为树突和晶须)生长的根本原因，这些结构困扰着锂电池，有时会引起短路，故障甚至起火。

由能源部太平洋西北国家实验室的王崇民领导的研究小组表明，电解质中某些化合物的存在(使电池成为关键化学物质的液体材料)促进了枝晶和晶须的生长。研究小组希望这一发现将导致通过操纵电池成分阻止其增长的新方法。研究结果于10月14日在线发表在《自然纳米技术》上。

树枝状晶体是微小的刚性树状结构，可以在锂电池内部生长;它们的针状突起称为晶须。两者都造成巨大伤害;值得注意的是，它们可以刺穿电池内部称为隔离器的结构，就像杂草可以刺穿混凝土露台或铺砌的道路一样。它们还会增加电解质和锂之间的有害反应，从而加速电池故障。树枝状晶须和晶须阻碍了锂金属电池的广泛使用，其能量密度比常用的锂离子电池高。

PNNL小组发现，锂金属电池中的晶须起源于称为“ SEI”或固体电解质中间相的结构，该膜是阳极的固体锂表面与液体电解质相遇的薄膜。此外，科学家们指出了生长过程中的罪魁祸首：碳酸亚乙酯，一种添加到电解质中以提高电池性能的必不可少的溶剂。

事实证明，碳酸亚乙酯会使电池容易损坏。

捕捉锂电池内部快速移动的动作

该团队的发现包括视频，这些视频显示了专门为该研究设计的纳米锂金属电池中晶须的逐步生长。

甲枝晶当锂离子开始结块，或“核”的阳极的表面上，形成了表示一个枝晶的生的颗粒开始。随着越来越多的锂原子凝结，该结构缓慢生长，就像石笋从洞穴底部生长一样。研究小组发现，SEI表面的能量动力学将更多的锂离子推入缓慢生长的色谱柱。然后，突然有晶须射出。

对于团队来说，捕捉动作并不容易。为此，科学家将原子力显微镜(AFM)和环境透射电子显微镜(ETEM)集成在一起，这是一种非常有价值的仪器，可让科学家在实际条件下研究工作中的电池。

该团队使用原子力显微镜测量了晶须生长时的微小力。就像医师通过要求患者向上推动医生伸出的手来测量患者的手部力量一样，PNNL团队通过用原子力显微镜的悬臂向下推其晶须的尖端并测量枝晶的作用力来测量生长晶须的力。在其成长过程中发挥作用。

电解质配方

研究小组发现，碳酸亚乙酯的含量与枝晶和晶须的生长直接相关。团队投入电解液的材料越多，晶须的生长就越多。科学家们对电解质混合物进行了实验，改变了成分以减少树枝状晶体。一些变化，例如添加环己酮，阻止了树枝状晶体和晶须的生长。

该论文的通讯作者王和吴旭说：“我们不想简单地抑制树突的生长;我们想找到根本原因并消除它们。” “我们利用了在电化学方面具有精湛技术的同事的专业知识。我希望我们的发现将促使社区以新的方式来研究这个问题。显然，还需要更多的研究。”

第一作者Yang He补充说，了解晶须起因和生长的原因将产生消除或至少控制晶须的新思路。他和团队跟踪了晶须如何响应障碍物，无论是屈曲，屈服，扭结还是停止。更好地理解可以帮助扫除锂金属电池在电动汽车，笔记本电脑，移动电话和其他领域中广泛使用的道路。

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