研究人员揭示了锂电池中树突和晶须生长的原因

研究人员已经发现了针状结构的增长的原因，称为晶须和树突 - 降解锂电池，偶尔会导致失效，短路，甚至火灾。

研究人员在能源部王崇民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，导致了晶须和树突的生长。电解质是使电池具有关键化学性质的液体材料。

他们认为他们的发现将为新方法铺平道路来阻碍他们的增长来操纵电池的成分。调查结果在线公布自然纳米技术10月14日^TH., 2019年。

树突是刚性的刚性树状结构，能够在锂电池内生长;它们的针状突起称为晶须。两者都会导致巨大的伤害;具体而言，它们可以穿透电池内的隔板，非常类似于挖掘铺设道路或混凝土庭院的杂草。

它们还增加了锂和电解质之间的不希望的反应，加速了电池衰竭的速率。树枝状和晶须阻碍了锂金属电池的广泛使用，与其经常使用的锂离子当量相比具有更高的能量密度。

PNNL的研究人员发现，锂金属电池中晶须的根本原因是一种称为固体电解质界面相(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膜。

此外，研究小组还发现，为提高电池性能而加入电解质的基本溶剂碳酸乙烯，是导致电池损坏的生长过程中的真正罪魁祸首。

捕捉锂电池内部快速移动的动作

该研究结果包括载体在主要为该研究设计的纳米锂金属电池内晶须的逐步生长。

当锂离子开始在阳极表面“成核”或聚集时，树枝晶就出现了，形成了表明树枝晶上升的粒子。随着更多的锂原子聚集在一起，锂离子逐渐增多，其生长方式类似于从洞穴底部长出的石笋。

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，一根胡须迅速出现。

研究人员难以捕捉行动。它们通过组合原子力显微镜（AFM）和环境传输电子显微镜（ETEM），高成本仪器实现了这一点，该高成本仪器可以帮助实时研究操作电池。

AFM用于估计晶须的小力，因为它开发了。Similar to a doctor measuring the strength of a patient’s hand by asking him or her to push upward against the doctor’s stretching hands, the researchers estimated the force of the growing whisker by pushing down the cantilever of the AFM on its tip and evaluating the force exerted by the dendrite during its growth.

电解质的配方

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

研究人员试验电解质混合物，改变成分，使树枝状物降低。很少的变化，例如加入环己酮，阻碍了树突和晶须生长。

我们不想简单地抑制树突的生长;我们想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的专长。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，西北太平洋国家实验室

吴旭是本研究的另一位通讯作者。该研究的第一作者杨鹤补充说，如果知道胡须的起源和生长的原因，那么消除胡须或至少控制胡须以减少损害的新方法就会更容易。

他和他的团队通过弯曲、扭结、屈服或停止来监测胡须对屏障的反应。更好的见解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。

来自EMSL和PNNL的研究作者包括王，徐和他，以及Xiaodi Ren，Yaobin Xu，Mark Engelard，小林李，杰晓，刘刘和吉广（杰森）张。该研究在Doe的能效和可再生能源汽车技术办公室提供资金。

这项研究之所以成为可能，是因为EMSL(环境分子科学实验室)的独特能力组合，该实验室是美国能源部科学办公室的用户设施，位于太平洋西北国家实验室。亚博老虎机网登录

视频信用：太平洋西北国家实验室。

来源:https://www.pnnl.gov/