科学家发现锂电池产生枝晶的罪魁祸首

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。（作者：余秋云）