據外媒報道，科學家們發現了鋰離子電池中針狀結構（即樹突和枝晶）生長的根本原因，此種結構有時會導致鋰離子電池短路、故障甚至起火。

（圖片來源：西北太平洋國家實驗室）

美國能源部西北太平洋國家實驗室（ Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的一個研究小組發現，電池電解質（使電池發生關鍵化學反應的液體材料）中某些化合物促進了樹突和枝晶的生長。研究小組希望該發現可以促進新方法的研發，最終通過控制電池成分組織樹突和枝晶的生長。

樹突是一種微小、堅硬的樹狀結構，會在鋰電池中生長，其針狀突起的部分稱為枝晶。兩種東西都會造成巨大傷害，能夠穿透電池內部的隔膜，就像雜草可以穿透水泥露臺或鋪好的道路一樣。而且，此類物質還會增加電解質與鋰之間的不良反應，加速電池失效。鋰金屬電池的能量密度比常用的鋰離子電池更高，不過，樹突和枝晶的存在阻礙了鋰金屬電池的普及。

PNNL團隊發現，鋰金屬電池中的枝晶源于“SEI”膜（固態電解質中間相），即陽極固態鋰表面與液態電解質之間的薄膜。此外，科學家們還發現了枝晶生長的罪魁禍首：碳酸乙烯。碳酸乙烯是一種不可或缺的溶劑，可添加到電解質中以提高電池性能。結果證明，正是碳酸乙烯讓電池容易損壞。

研究人員為該研究專門設計了納米大小的鋰金屬電池，再采用視頻一步步地展示了電池中枝晶的生長過程。

當鋰離子開始在陽極聚集或“成核”時，樹突就開始形成，一開始是粒子大小，表示了樹突的誕生。隨著越來越多的鋰原子聚集在一起，該結構就會慢慢生長，猶如石筍從洞穴底部生長出來一樣。研究小組發現，SEI表面的能量動力會將更多鋰離子推向緩慢增長的樹突柱上。然后，突然，一根枝晶長出來了。

對于該團隊來說，捕捉枝晶生長出來的瞬間并不容易。為此，科學家們結合使用了原子力顯微鏡（AFM）和環境投射電子顯微鏡（ETEM）。ETEM是一種非常珍貴的儀器，可以讓科學家們在真實條件下研究電池的工作狀態。

該團隊采用AFM測量了枝晶生長時的微小力量，并且通過將AFM的懸臂頂部向下壓，測量出枝晶生長的力量，并且測量了枝晶生長過程中樹突對其施加的力量。

研究小組發現，碳酸乙烯的含量與樹突和枝晶的生長有直接關系。研究小組在電解質中添加的碳酸乙烯越多，就會生長越多的枝晶。科學家們利用電解質混合物做實驗，改變其成分，以減少樹突，例如，研究人員添加了環已酮，就可以阻止樹突和枝晶的生長。

了解電池中枝晶產生和生長的原因，可以為消除枝晶或者控制枝晶，最終防止電池損害提供新思路。研究人員表示，更深入地了解電池枝晶將有助于為鋰金屬電池在電動汽車、筆記本電腦、手機和其他領域的廣泛應用掃清道路。