锂电池枝晶 科学家发现锂电池产生枝晶的罪魁祸首 竟跟电解质中某些物质有关

科学家发现锂电池产生枝晶的罪魁祸首 竟跟电解质中某些物质有关

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据外媒报道，科学家们发现了锂离子电池中针状结构（即树突和枝晶）生长的根本原因，此种结构有时会导致锂离子电池短路、故障甚至起火。

美国能源部西北太平洋国家实验室（ Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的一个研究小组发现， 电池电解质（使电池发生关键化学反应的液体材料）中某些化合物促进了树突和枝晶的生长。 研究小组希望该发现可以促进新方法的研发，最终通过控制电池成分组织树突和枝晶的生长。

树突是一种微小、坚硬的树状结构，会在锂电池中生长，其针状突起的部分称为枝晶。 两种东西都会造成巨大伤害，能够穿透电池内部的隔膜，就像杂草可以穿透水泥露台或铺好的道路一样。 而且，此类物质还会增加电解质与锂之间的不良反应，加速电池失效。 锂金属电池的能量密度比常用的锂离子电池更高，不过，树突和枝晶的存在阻碍了锂金属电池的普及。

PNNL团队发现，锂金属电池中的枝晶源于“SEI”膜（固态电解质中间相），即阳极固态锂表面与液态电解质之间的薄膜。 此外，科学家们还发现了枝晶生长的罪魁祸首： 碳酸乙烯。 碳酸乙烯是一种不可或缺的溶剂，可添加到电解质中以提高电池性能。 结果证明，正是碳酸乙烯让电池容易损坏。

研究人员为该研究专门设计了纳米大小的锂金属电池，再采用视频一步步地展示了电池中枝晶的生长过程。

当锂离子开始在阳极聚集或“成核”时，树突就开始形成，一开始是粒子大小，表示了树突的诞生。 随着越来越多的锂原子聚集在一起，该结构就会慢慢生长，犹如石笋从洞穴底部生长出来一样。 研究小组发现，SEI表面的能量动力会将更多锂离子推向缓慢增长的树突柱上。 然后，突然，一根枝晶长出来了。

对于该团队来说，捕捉枝晶生长出来的瞬间并不容易。 为此，科学家们结合使用了原子力显微镜（AFM）和环境投射电子显微镜（ETEM）。 ETEM是一种非常珍贵的仪器，可以让科学家们在真实条件下研究电池的工作状态。

该团队采用AFM测量了枝晶生长时的微小力量，并且通过将AFM的悬臂顶部向下压，测量出枝晶生长的力量，并且测量了枝晶生长过程中树突对其施加的力量。

研究小组发现，碳酸乙烯的含量与树突和枝晶的生长有直接关系。 研究小组在电解质中添加的碳酸乙烯越多，就会生长越多的枝晶。 科学家们利用电解质混合物做实验，改变其成分，以减少树突，例如，研究人员添加了环已酮，就可以阻止树突和枝晶的生长。

了解电池中枝晶产生和生长的原因，可以为消除枝晶或者控制枝晶，最终防止电池损害提供新思路。 研究人员表示，更深入地了解电池枝晶将有助于为锂金属电池在电动汽车、笔记本电脑、手机和其他领域的广泛应用扫清道路。

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可充电锂电池枝晶难题破解 为新型固态电池设计开启大门

科技日报北京11月20日电 （实习记者张佳欣）据最新一期《焦耳》杂志报道，美国麻省理工学院研究人员解释了可充电锂电池枝晶的形成原因以及如何防止其穿过电解液的方法。这一发现最终可能开启一种新型可充电锂电池的设计之门，这种电池比目前的版本更轻、更紧凑、更安全。

到目前为止，可充电锂金属电池的商业用途还很有限，其中一个原因是枝晶。枝晶可在锂表面堆积，渗透到固体电解液中，最终从一个电极交叉到另一个电极，使电池短路。

麻省理工学院的早期研究发现，锂离子固体电解质材料在电池充放电过程中来回穿梭，会导致电极的体积发生变化。这不可避免地在固体电解液中产生应力，它必须与夹在中间的两个电极保持完全接触。“为了沉积这种金属，就必须扩大体积，因为新的质量正在增加。因此，锂电池一侧的体积增加了。如果有哪怕是微小的缺陷存在，就将对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。”

研究团队现在发现，这些压力会导致裂缝，从而形成枝晶。事实证明，解决问题的办法是以正确的方向和适当的力量施加压力。

之前，一些研究人员认为枝晶是由纯电化学过程而非是机械过程形成的，但该团队的实验表明，导致问题的是机械应力。

电池枝晶的形成过程通常发生在不透明材料的深处，无法直接观察到，因此研究人员开发了一种使用透明电解液制造薄电池的方法，可直接看到和记录整个过程。

该团队证明，他们只需施加和释放压力，就可直接控制枝晶的生长，使枝晶与力的方向完全一致。对固体电解质施加机械应力并不能消除枝晶的形成，但它确实可以控制它们的生长方向。这意味着可以引导它们与两个电极保持平行，并防止它们穿过另一侧，从而变得无害。

另一种方法是在材料中“掺杂”嵌入原子，使其变形并处于永久的应力状态。实验表明，150到200兆帕斯卡的压力足以阻止枝晶穿过电解液。

此前，人们认为类似三明治的多层结构可防止枝晶结构生成。但新的实验证明，在垂直于电池极板方向上挤压材料实际上会加剧枝晶结构的形成。取而代之的应该是沿着平面的压力，就像是从三明治侧面挤压一样。

来源：科技日报

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