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能源部橡树岭国家实验室的科学家已经捕获了第一批已知会降解锂离子电池的锂枝晶结构的实时纳米级图像。ORNL团队的电子显微镜可以帮助研究人员解决与电池性能和安全性相关的长期问题。

当金属锂在电池的阳极上生根并开始随意生长时，形成树枝状晶体。如果树枝状结构变得太大，它们会刺穿电极之间的分隔物并使电池短路，从而导致灾难性的电池故障。

研究人员通过使用模拟锂离子电池内液体条件的微型电化学电池研究了枝晶的形成。将液体细胞置于扫描透射电子显微镜中并向细胞施加电压，研究人员可以观察到锂沉积物 - 从纳米级种子开始 - 生长为树枝状结构。

ORNL的原位显微镜小组负责人Raymond Unocic说：“它为我们提供了关于枝晶如何成核和生长的纳米视图。” “我们可以在玻璃碳微电极上观察整个过程，观察枝晶更适合成核的位置，并跟踪生长过程中的形态变化。”

除了以高分辨率对结构进行成像外，该团队的显微技术还可以精确测量细胞的电化学性能。“这项技术使我们能够跟踪发生的细微的纳米级结构和化学变化，更重要的是，它与电池的测量性能相关联，”ORNL博士后研究员兼Nano Letters研究的第一作者Robert Sacci说。

这种在液体环境中的实时分析将ORNL团队的方法与其他表征方法区分开来。

“通常当你在多次充放电循环中运行电池时，通常会等到事情开始失败，此时你会进行根本原因故障分析，”Unocic说。“然后你看到有一个树枝 - 但是那又是什么?现在我们可以确切地看到使用我们的技术如何形成枝晶，我们可以主动并制定策略来抑制或减少这些现象。”

ORNL团队认为，正在试验解决枝晶问题的不同方法的科学家，如液体添加剂或强力分离器，将从其研究中受益。

“如果你不理解为什么会在你的设备中发生事情的基本机制，你会一直在想，'为什么会发生这种情况，我该如何解决?'”Unocic说。“直到你进入微观和纳米级水平观察细胞中正在发生的结构和化学进化 - 然后你才能真正解决那些出现的问题。”