科學家們首次直接觀察到在鋰離子電池內部，名為鋰樹枝晶的微小金屬結構是如何生長的，這揭示了它們為何可能損壞電池並引發危險的短路現象。這些針狀結構在電池的負極，即陽極上發展。如果它們生長得足夠長，就可能穿透內部隔離層，並接觸到正極，從而引發內部短路，導致電池失效。儘管鋰樹枝晶已經被研究多年，但科學家們從未完全理解它們在工作電池內生長過程中的機械行為。由於這些結構在納米尺度下形成，且發展於密封的電池單元內，觀察它們一直頗具挑戰。
在這項新研究中，來自美國和新加坡的研究人員結合實驗和模擬技術，捕捉到鋰樹枝晶在電池內部的結晶與行為。為了檢驗這些結構，科學家們建造了專門的實驗平台，能夠隔離並測試取自運行中電池的鋰樹枝晶。鋰的反應性極強，這意味著樣本必須在密封環境中處理，以避免與空氣接觸。來自萊斯大學的博士生Boyu Zhang表示：「我們針對這種精細的工作開發了定制的樣本準備和機械特性測試平台。」
研究人員利用高分辨率電子顯微鏡觀察單個鋰樹枝晶在壓力下的變形行為，這使他們能夠分析其強度和結構行為，這在以前是無法實現的。鋰樹枝晶極為細小，約為人類頭髮寬度的100倍。它們在電池充電循環中像顯微鏡的樹枝一樣生長。其生長長期以來與電池的降解及安全風險相關聯。如果鋰樹枝晶斷裂，它們可能變得電性隔離，形成研究人員所稱的「死鋰」，這會隨著時間降低電池的容量。
鋰樹枝晶被廣泛認為是商業化鋰金屬電池的最大障礙之一。新澤西理工學院的機械與工業工程助理教授Xing Liu表示，科學家們多年來一直認為鋰樹枝晶是柔軟且有彈性的，因為鋰金屬本身相對柔韌。然而，實驗結果顯示出截然不同的情況。鋰樹枝晶不是輕易彎曲，而是表現出像脆性結構一樣的行為，能在壓力下斷裂。
Liu表示：「長期以來，鋰樹枝晶被認為是像橡皮泥一樣柔軟和延展的，但我們的觀察表明，它們可能強度較高且脆性大，就像乾麵條一樣容易斷裂。」研究人員發現，隨著樹枝晶的生長，它們表面會覆蓋一層稱為固態電解質界面（SEI）的薄膜。這層包覆使樹枝晶變得更加堅硬且呈針狀。由於這種剛性，這些結構能穿透電池的隔離層和電解液，增加內部短路的風險。
當樹枝晶斷裂時，碎片會在電池內部積聚，形成死鋰，進一步降低電池性能。Liu補充道：「目前沒有實用的方法可以清除工作電池單元中的樹枝晶。」理解這些結構如何形成與失效可能有助於工程師設計更安全的下一代電池。研究人員表示，這項研究的見解可能有助於指導改進陽極材料或使用鋰合金等策略，以限制脆性斷裂和樹枝晶的生長。
這些發現可能在改善鋰金屬電池方面發揮重要作用，該類電池承諾提供比當前鋰離子技術更高的能量密度，但仍受到樹枝晶形成的限制。這項研究的成果已於《科學》期刊發表。
