“像玻璃一樣脆裂”：首次實時觀察揭示脆性鋰枝晶的弱點

科學家實時捕捉到鋰枝晶的斷裂過程，揭示了固態電池設計中的潛在風險。

休斯頓大學的一位工程師發現，電池內部的鋰枝晶并不像此前認為的那樣柔軟，而是像脆性、剛性的結構一樣，能夠造成嚴重損害。

這些在充電過程中生長的微小結構，長期以來被認為會引發短路和火災。

但由姚彥領導的研究團隊如今證明，枝晶具有機械強度且容易折斷，其性質更接近玻璃而非金屬。

這一發現挑戰了電池科學領域長達數十年的假設，即金屬鋰具有延展性，可被固態電解質輕易阻擋。

相反，研究表明枝晶如同堅硬的針，能夠刺穿電池內部組件。

研究團隊通過實時捕捉固態電池在工作狀態下枝晶形成與斷裂的影像，直接觀察到了這一行為，為理解這些結構在運行條件下的動態提供了罕見視角。

被顛覆的假設

“幾十年來，科學界一直認為固態電解質可以輕易阻擋枝晶，因為鋰被認為是一種柔軟、有延展性的金屬。我們證明了它們實際上是脆性的，會像玻璃一樣斷裂，”姚彥表示。

枝晶是微小的晶體結構，通常直徑僅有幾百納米。盡管尺寸微小，它們卻能穿透隔膜和電解質，導致內部失效。

研究解釋說，枝晶的剛性源于其納米級單晶鋰核心，并在運行過程中形成的表面涂層進一步增強。

這種組合使枝晶在生長過程中保持結構完整性，從而增加了它們刺穿電池內部保護屏障的風險。

研究人員利用操作態掃描電子顯微鏡，拍攝下了枝晶實時斷裂的過程。

這需要休斯頓大學開發的一種專用無空氣腔室，使其能夠在不受干擾的情況下觀察運行中電池的內部情況。

這些發現也凸顯了枝晶的形成機制及其持續的危險性。鋰枝晶的產生有多種原因，包括快速充電和低溫環境。

盡管直徑僅幾百納米，比人類頭發的百分之一還要細，

但這些結構足以引發短路和火災，使其成為高能電池中最頑固的安全隱患之一。

針狀失效機制

“通過首次在運行中的固態電池內部拍攝到這一過程……我們證明了用于設計下一代電池的策略必須改變，”姚彥說。

直接可視化枝晶行為的能力，為理解為何通常被視為更安全替代方案的固態電池仍面臨可靠性挑戰提供了新見解。

研究結果表明，僅依賴固態電解質可能不足以阻止枝晶穿透。

相反，研究人員指出了替代方法，例如使用鋰合金負極，這可能降低脆性斷裂的風險。
了解枝晶的機械性能也有助于工程師設計更能抵抗穿透的材料。

該研究建立在該團隊早先關于固態電池隨時間退化機制的工作基礎之上。

綜合這些見解，有助于提高用于電動汽車、消費電子產品和電網應用的儲能系統的安全性和使用壽命。

這項研究發表在《科學》雜志上。

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