科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰電池產(chǎn)生枝晶的罪魁禍?zhǔn)?與電解質(zhì)中某物質(zhì)有關(guān)

據(jù)外媒報(bào)道，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了鋰離子電池中針狀結(jié)構(gòu)（即樹(shù)突和枝晶）生長(zhǎng)的根本原因，此種結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池短路、故障甚至起火。

美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ Department of Energy＇s Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，電池電解質(zhì)（使電池發(fā)生關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)的液體材料）中某些化合物促進(jìn)了樹(shù)突和枝晶的生長(zhǎng)。研究小組希望該發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)新方法的研發(fā)，最終通過(guò)控制電池成分組織樹(shù)突和枝晶的生長(zhǎng)。

樹(shù)突是一種微小、堅(jiān)硬的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，會(huì)在鋰電池中生長(zhǎng)，其針狀突起的部分稱為枝晶。兩種東西都會(huì)造成巨大傷害，能夠穿透電池內(nèi)部的隔膜，就像雜草可以穿透水泥露臺(tái)或鋪好的道路一樣。而且，此類物質(zhì)還會(huì)增加電解質(zhì)與鋰之間的不良反應(yīng)，加速電池失效。鋰金屬電池的能量密度比常用的鋰離子電池更高，不過(guò)，樹(shù)突和枝晶的存在阻礙了鋰金屬電池的普及。

PNNL團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鋰金屬電池中的枝晶源于“SEI”膜（固態(tài)電解質(zhì)中間相），即陽(yáng)極固態(tài)鋰表面與液態(tài)電解質(zhì)之間的薄膜。此外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了枝晶生長(zhǎng)的罪魁禍?zhǔn)滋妓嵋蚁?。碳酸乙烯是一種不可或缺的溶劑，可添加到電解質(zhì)中以提高電池性能。結(jié)果證明，正是碳酸乙烯讓電池容易損壞。

研究人員為該研究專門設(shè)計(jì)了納米大小的鋰金屬電池，再采用視頻一步步地展示了電池中枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程。

當(dāng)鋰離子開(kāi)始在陽(yáng)極聚集或“成核”時(shí)，樹(shù)突就開(kāi)始形成，一開(kāi)始是粒子大小，表示了樹(shù)突的誕生。隨著越來(lái)越多的鋰原子聚集在一起，該結(jié)構(gòu)就會(huì)慢慢生長(zhǎng)，猶如石筍從洞穴底部生長(zhǎng)出來(lái)一樣。研究小組發(fā)現(xiàn)，SEI表面的能量動(dòng)力會(huì)將更多鋰離子推向緩慢增長(zhǎng)的樹(shù)突柱上。然后，突然，一根枝晶長(zhǎng)出來(lái)了。

對(duì)于該團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，捕捉枝晶生長(zhǎng)出來(lái)的瞬間并不容易。為此，科學(xué)家們結(jié)合使用了原子力顯微鏡（AFM）和環(huán)境投射電子顯微鏡（ETEM）。ETEM是一種非常珍貴的儀器，可以讓科學(xué)家們?cè)谡鎸?shí)條件下研究電池的工作狀態(tài)。

該團(tuán)隊(duì)采用AFM測(cè)量了枝晶生長(zhǎng)時(shí)的微小力量，并且通過(guò)將AFM的懸臂頂部向下壓，測(cè)量出枝晶生長(zhǎng)的力量，并且測(cè)量了枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中樹(shù)突對(duì)其施加的力量。

研究小組發(fā)現(xiàn)，碳酸乙烯的含量與樹(shù)突和枝晶的生長(zhǎng)有直接關(guān)系。研究小組在電解質(zhì)中添加的碳酸乙烯越多，就會(huì)生長(zhǎng)越多的枝晶。科學(xué)家們利用電解質(zhì)混合物做實(shí)驗(yàn)，改變其成分，以減少樹(shù)突，例如，研究人員添加了環(huán)已酮，就可以阻止樹(shù)突和枝晶的生長(zhǎng)。

了解電池中枝晶產(chǎn)生和生長(zhǎng)的原因，可以為消除枝晶或者控制枝晶，最終防止電池?fù)p害提供新思路。研究人員表示，更深入地了解電池枝晶將有助于為鋰金屬電池在電動(dòng)汽車、筆記本電腦、手機(jī)和其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用掃清道路。