“像玻璃一样脆裂”：首次实时观察揭示脆性锂枝晶的弱点

科学家实时捕捉到锂枝晶的断裂过程，揭示了固态电池设计中的潜在风险。

休斯顿大学的一位工程师发现，电池内部的锂枝晶并不像此前认为的那样柔软，而是像脆性、刚性的结构一样，能够造成严重损害。

这些在充电过程中生长的微小结构，长期以来被认为会引发短路和火灾。

但由姚彦领导的研究团队如今证明，枝晶具有机械强度且容易折断，其性质更接近玻璃而非金属。

这一发现挑战了电池科学领域长达数十年的假设，即金属锂具有延展性，可被固态电解质轻易阻挡。

相反，研究表明枝晶如同坚硬的针，能够刺穿电池内部组件。

研究团队通过实时捕捉固态电池在工作状态下枝晶形成与断裂的影像，直接观察到了这一行为，为理解这些结构在运行条件下的动态提供了罕见视角。

被颠覆的假设

“几十年来，科学界一直认为固态电解质可以轻易阻挡枝晶，因为锂被认为是一种柔软、有延展性的金属。我们证明了它们实际上是脆性的，会像玻璃一样断裂，”姚彦表示。

枝晶是微小的晶体结构，通常直径仅有几百纳米。尽管尺寸微小，它们却能穿透隔膜和电解质，导致内部失效。

研究解释说，枝晶的刚性源于其纳米级单晶锂核心，并在运行过程中形成的表面涂层进一步增强。

这种组合使枝晶在生长过程中保持结构完整性，从而增加了它们刺穿电池内部保护屏障的风险。

研究人员利用操作态扫描电子显微镜，拍摄下了枝晶实时断裂的过程。

这需要休斯顿大学开发的一种专用无空气腔室，使其能够在不受干扰的情况下观察运行中电池的内部情况。

这些发现也凸显了枝晶的形成机制及其持续的危险性。锂枝晶的产生有多种原因，包括快速充电和低温环境。

尽管直径仅几百纳米，比人类头发的百分之一还要细，

但这些结构足以引发短路和火灾，使其成为高能电池中最顽固的安全隐患之一。

针状失效机制

“通过首次在运行中的固态电池内部拍摄到这一过程……我们证明了用于设计下一代电池的策略必须改变，”姚彦说。

直接可视化枝晶行为的能力，为理解为何通常被视为更安全替代方案的固态电池仍面临可靠性挑战提供了新见解。

研究结果表明，仅依赖固态电解质可能不足以阻止枝晶穿透。

相反，研究人员指出了替代方法，例如使用锂合金负极，这可能降低脆性断裂的风险。
了解枝晶的机械性能也有助于工程师设计更能抵抗穿透的材料。

该研究建立在该团队早先关于固态电池随时间退化机制的工作基础之上。

综合这些见解，有助于提高用于电动汽车、消费电子产品和电网应用的储能系统的安全性和使用寿命。

这项研究发表在《科学》杂志上。

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