他们给电池开了个窗口来拍摄锂金属电池内部锂枝晶的生长

材料牛注：前段时间，“三星Galaxy Note 7爆炸”事件引发公众关注。而这一问题可能是由于电池内部生长的锂枝晶造导致电池短路成的。密歇根大学的Neil Dasgupta和Kevin Wood的研究团队，针对现有锂金属电池内部枝晶生长问题，研发出了一种将窗口-电池安装在高清视频显微镜上的器件，该器件帮助这个团队明确了枝晶怎样在锂金属电池内生长的。

枝晶，即在电池内部生长的锂晶须，可能引起像三星Galaxy Note 7那样的火灾，这是下一代锂电池的祸根。

虽然他们通常在黑暗的掩蔽下，在封闭的电池中生长，密歇根大学的研究人员通过在电池中切开一个窗口来窥探它们的生长机理，并在他们成长时拍摄枝晶图像（他们研究的电池是下一代的锂金属电池，而不是在商业手机和其他电子消费品中使用的锂离子类型）。

这项工作可以帮助研究人员安全地将锂电池提升到一个新的水平。

锂硫和锂空气电池——通常称为锂金属电池，因为它们具有全金属电极——在相同的空间中存储的能量当前最先进的锂离子电池10倍之多 。

然而，这些新型全金属电极特别容易形成枝晶。枝晶可以快速降低电池的性能，引起安全性问题并缩短电池使用寿命。

U-M机械工程助理教授Neil Dasgupta说：“没有人想要购买一辆电动车，使用一段时间后，行驶里可以程从300英里减少到100英里。”

更糟的是，枝晶可以刺穿电极之间的膜，从而使电池短路。没有人想要一辆自动燃烧的电动汽车。

虽然树枝状晶体被广泛地认为是尚未上市的锂金属电池中存在的问题，但其在引起当今市售锂离子电池中的问题上扮演的角色我们尚不太了解。研究人员还不知道导致三星手机被公司召回的故障的原因是什么。但枝晶可有能是罪魁祸首。

一位协助开发电池窗口的机械工程博士后研究员，凯文•伍德说：“随着研究人员试图在相同的空间存储越来越多的能量，形态问题，如枝晶，成为了主要的挑战。虽然我们不完全知道为什么Note 7会爆炸，但枝晶会导致这样的问题。如果我们想在将来使用高能量密度电池，并且不希望它们爆炸，枝晶这个问题是无法回避的。

Dasgupta和Wood正在寻求更好的途径来找出电池里面发生了什么。 先前的技术中最常用的方法集中在电池运行时的电化学测量。实验完成后，电池的解剖显示出其内部发生了什么物理变化。通过这种方法，研究人员可以看到枝晶，但他们不能看到他们是如何成长的。

为了捕获树枝状结构，Dasgupta的小组将窗口-电池安装在高清视频显微镜上，并将其连接，以便它们可以监测枝晶生长和两个电极之间的电压。这些数据会在充电和放电循环期间发生变化。 以这种方式，他们将电极的观察结果——枝晶生长或收缩，以及一般的降解状态——电压测量结果相联系起来。然后，它们将电压模式与特定的枝晶活性联系起来。

该器件帮助这个团队明确了为什么枝晶在下一代锂金属电池内生长。他们研究了两个带有锂电极的电池，以避免使用不同的电极使问题复杂化，从而产生问题。

“我们的窗口电池是可以被全球研究人员使用的简单平台。可以在任何实验室用光学显微镜，简单的电化学设备，一个机器车间和100美元的预算来制作。”Dasgupta说。

研究人员能够看到枝晶随着锂累积在电极表面上而增长，并且将锂从表面拉离时，周期反转而收缩。 当锂被除去时，它们在电极中看到凹坑，并且他们看到了这些凹坑如何在下一个周期成为树枝状物的成核位点。

锂枝晶看起来是有机的，就像植物在电池循环过程中生长和枯萎。 一些枝晶破裂，并变成“死锂”浮在电池中。

该团队发现，并非所有枝晶都意味着严重的损害。如果枝晶小且在电极表面均匀地铺展，则更多的锂仍发挥作用。在这种情况下，电池性能保持稳定，Wood说。

“如果你想得到实际的操作条件，我认为没有什么办法能够真正防止枝晶的生长。但是通过控制枝晶的生长，你可以使电池寿命更长，安全性更高。”他说。

利用这一发现，该团队发现了一种显著延长锂电极寿命的方法并将在期刊中公开。

原文链接：Window into battery life for next-gen lithium cells

本文由编辑部杨超提供素材，豆慧敏编译，点我加入材料人编辑部