他們給電池開了個窗口來拍攝鋰金屬電池內部鋰枝晶的生長

材料牛注：前段時間，“三星Galaxy Note 7爆炸”事件引發公眾關注。而這一問題可能是由于電池內部生長的鋰枝晶造導致電池短路成的。密歇根大學的Neil Dasgupta和Kevin Wood的研究團隊，針對現有鋰金屬電池內部枝晶生長問題，研發出了一種將窗口-電池安裝在高清視頻顯微鏡上的器件，該器件幫助這個團隊明確了枝晶怎樣在鋰金屬電池內生長的。

枝晶，即在電池內部生長的鋰晶須，可能引起像三星Galaxy Note 7那樣的火災，這是下一代鋰電池的禍根。

雖然他們通常在黑暗的掩蔽下，在封閉的電池中生長，密歇根大學的研究人員通過在電池中切開一個窗口來窺探它們的生長機理，并在他們成長時拍攝枝晶圖像（他們研究的電池是下一代的鋰金屬電池，而不是在商業手機和其他電子消費品中使用的鋰離子類型）。

這項工作可以幫助研究人員安全地將鋰電池提升到一個新的水平。

鋰硫和鋰空氣電池——通常稱為鋰金屬電池，因為它們具有全金屬電極——在相同的空間中存儲的能量當前最先進的鋰離子電池10倍之多 。

然而，這些新型全金屬電極特別容易形成枝晶。枝晶可以快速降低電池的性能，引起安全性問題并縮短電池使用壽命。

U-M機械工程助理教授Neil Dasgupta說：“沒有人想要購買一輛電動車，使用一段時間后，行駛里可以程從300英里減少到100英里。”

更糟的是，枝晶可以刺穿電極之間的膜，從而使電池短路。沒有人想要一輛自動燃燒的電動汽車。

雖然樹枝狀晶體被廣泛地認為是尚未上市的鋰金屬電池中存在的問題，但其在引起當今市售鋰離子電池中的問題上扮演的角色我們尚不太了解。研究人員還不知道導致三星手機被公司召回的故障的原因是什么。但枝晶可有能是罪魁禍首。

一位協助開發電池窗口的機械工程博士后研究員，凱文?伍德說：“隨著研究人員試圖在相同的空間存儲越來越多的能量，形態問題，如枝晶，成為了主要的挑戰。雖然我們不完全知道為什么Note 7會爆炸，但枝晶會導致這樣的問題。如果我們想在將來使用高能量密度電池，并且不希望它們爆炸，枝晶這個問題是無法回避的。

Dasgupta和Wood正在尋求更好的途徑來找出電池里面發生了什么。 先前的技術中最常用的方法集中在電池運行時的電化學測量。實驗完成后，電池的解剖顯示出其內部發生了什么物理變化。通過這種方法，研究人員可以看到枝晶，但他們不能看到他們是如何成長的。

為了捕獲樹枝狀結構，Dasgupta的小組將窗口-電池安裝在高清視頻顯微鏡上，并將其連接，以便它們可以監測枝晶生長和兩個電極之間的電壓。這些數據會在充電和放電循環期間發生變化。 以這種方式，他們將電極的觀察結果——枝晶生長或收縮，以及一般的降解狀態——電壓測量結果相聯系起來。然后，它們將電壓模式與特定的枝晶活性聯系起來。

該器件幫助這個團隊明確了為什么枝晶在下一代鋰金屬電池內生長。他們研究了兩個帶有鋰電極的電池，以避免使用不同的電極使問題復雜化，從而產生問題。

“我們的窗口電池是可以被全球研究人員使用的簡單平臺。可以在任何實驗室用光學顯微鏡，簡單的電化學設備，一個機器車間和100美元的預算來制作。”Dasgupta說。

研究人員能夠看到枝晶隨著鋰累積在電極表面上而增長，并且將鋰從表面拉離時，周期反轉而收縮。 當鋰被除去時，它們在電極中看到凹坑，并且他們看到了這些凹坑如何在下一個周期成為樹枝狀物的成核位點。

鋰枝晶看起來是有機的，就像植物在電池循環過程中生長和枯萎。 一些枝晶破裂，并變成“死鋰”浮在電池中。

該團隊發現，并非所有枝晶都意味著嚴重的損害。如果枝晶小且在電極表面均勻地鋪展，則更多的鋰仍發揮作用。在這種情況下，電池性能保持穩定，Wood說。

“如果你想得到實際的操作條件，我認為沒有什么辦法能夠真正防止枝晶的生長。但是通過控制枝晶的生長，你可以使電池壽命更長，安全性更高。”他說。

利用這一發現，該團隊發現了一種顯著延長鋰電極壽命的方法并將在期刊中公開。

原文鏈接：Window into battery life for next-gen lithium cells

本文由編輯部楊超提供素材，豆慧敏編譯，點我加入材料人編輯部