研究人员揭示了锂电池中枝晶和晶须生长的原因

研究人员已经发现了针状结构生长的原因，这些结构被称为触须和树突，它们会使锂电池退化，偶尔会导致故障、短路甚至起火。

研究人员在能源部王崇敏的领导下太平洋西北国家实验室，已经证明了电解质中特定化合物的出现会导致晶须和枝晶的生长。电解质是一种液体材料，使电池的关键化学成分成为可能。

他们相信，他们的发现将为通过操纵电池成分来阻碍其生长的新方法铺平道路。研究结果发表在自然纳米技术10月14日^th, 2019年。

树突是小而坚硬的树状结构，能够在锂电池中生长;它们的针状突起被称为胡须。两者都会导致巨大的损害;具体来说，它们可以穿透电池内的分离器，就像杂草穿过铺设的道路或混凝土庭院一样。

它们还增加了锂和电解质之间的不良反应，加速了电池的失效率。枝晶和晶须阻碍了锂金属电池的广泛使用，与经常使用的锂离子电池相比，锂金属电池具有更高的能量密度。

PNNL的研究人员发现，锂金属电池中晶须产生的根本原因是一种被称为固体电解质界面(SEI)的结构。它是阳极的固体锂表面与液体电解质接触的一层薄膜。

此外，研究小组还发现，在电池生长过程中导致电池损坏的罪魁祸首是碳酸乙烯，这是一种添加到电解质中以提高电池性能的必要溶剂。

捕捉锂电池内部快速移动的动作

研究结果包括视频，演示了晶须在纳米锂金属电池中逐步生长的过程，该电池主要是为这项研究设计的。

当锂离子开始在阳极表面“成核”或结块时，枝晶就出现了，并形成了表明枝晶上升的粒子。随着越来越多的锂原子聚集在一起，锂原子的数量逐渐增加，其生长方式类似于洞穴底部的石笋。

研究人员发现SEI表面的能量动力学迫使更多的锂离子进入逐渐增长的柱。随后，胡须迅速出现。

研究人员很难捕捉到这些动作。他们通过结合原子力显微镜(AFM)和环境透射电子显微镜(ETEM)实现了这一目标，ETEM是一种可以帮助实时研究电池运行的高成本仪器。

利用原子力显微镜(AFM)对晶须发展过程中的小力进行了估计。类似于医生测量病人的手的力量通过询问他或她对医生的伸展双手向上推,研究人员估计的力量增长须通过压低AFM悬臂的提示和评估树突的力在其增长。

电解质的配方

研究人员发现，碳酸乙烯水平与晶须和枝晶的生长直接相关。随着加入电解质的材料的增加，晶须的生长增加。

研究人员对电解质混合物进行了实验，改变了成分，使树突减少。少量的变化，如环己酮的加入，阻碍了枝晶和晶须的生长。

我们不想简单地抑制树突的生长;我们想要找到根本原因并消除它们。我们利用了在电化学方面有专长的同事们的专业知识。我希望我们的发现将激励社区以新的方式看待这个问题。显然，还需要更多的研究．

王崇民，研究通讯作者，太平洋西北国家实验室

吴旭是本研究的另一位通讯作者。该研究的第一作者杨贺补充说，如果胡须起源和生长的原因已知，那么消除胡须或至少控制胡须以减少伤害的新方法就会更容易实现。

他和他的团队通过弯曲、扭结、屈服或停止来监测胡须对障碍物的反应。更好的研究可以为锂金属电池在笔记本电脑、电动汽车、手机等领域的广泛应用开辟道路。

该研究的作者来自EMSL和PNNL，包括Wang, Xu, He，以及任晓迪，徐耀斌，Mark Engelhard, xiaoolin Li, Jie Xiao, Liu Jun, jiguang Zhang (Jason)。这项研究得到了能源部能源效率办公室和可再生能源汽车技术办公室的财政支持。

这项研究之所以成为可能，是因为EMSL(环境分子科学实验室，位于PNNL的能源部科学办公室用户设施)具有独特的能力组合。欧洲杯线上买球

视频资料:太平洋西北国家实验室。

来源:https://www.pnnl.gov/