生活中，我們會(huì)使用很多需要金屬電池作為續(xù)航動(dòng)力的電子產(chǎn)品，如使用鋰離子電池的手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車(chē)等。很多人也會(huì)有這樣的經(jīng)驗(yàn)，電子產(chǎn)品使用時(shí)間長(zhǎng)了以后，充電時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)電池容易發(fā)熱，充電速度變得越來(lái)越慢，續(xù)航能力下降嚴(yán)重，這個(gè)很容易理解，因?yàn)殡姵卦谥饾u的老化了。
但是有些人可能會(huì)說(shuō)，我的電池才用了不到一年，怎么也有這種情況呢？那可能是因?yàn)槌潆姺绞讲粚?duì)，加速了電池的老化，比如經(jīng)常使用快充；還有些人說(shuō)我新買(mǎi)的手機(jī)基本沒(méi)怎么用，怎么也充不進(jìn)電了，這可能是因?yàn)檫^(guò)放電導(dǎo)致了電池容量下降。
以鋰離子電池為例，電池的工作原理是鋰離子在電池的陽(yáng)極和陰極之間來(lái)回跑動(dòng)，產(chǎn)生的化學(xué)能和電能互相轉(zhuǎn)化的一個(gè)過(guò)程，能跑動(dòng)的鋰離子越多，電池越優(yōu)秀，從這點(diǎn)上理解，電池續(xù)航能力下降是因?yàn)槟芘軇?dòng)的鋰離子越來(lái)越少了。
那么，為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？鋰離子怎么會(huì)變少呢？變少的鋰離子去了哪里？
電池本身的質(zhì)量如電極材料的容量不足，充電如大電流充電、過(guò)充、快充、充電次數(shù)太多，還有過(guò)放電都會(huì)逐漸地減少鋰離子的跑動(dòng)數(shù)量，即電池容量下降。
變少的鋰離子形成了樹(shù)枝狀的晶體，稱為鋰枝晶，從離子狀態(tài)變成晶體狀態(tài)，被固定住了自然就不能跑了，不跑那產(chǎn)生的電能就少了，電池續(xù)航就大打折扣，進(jìn)而縮短電池的壽命。
此外枝晶逐漸生長(zhǎng)還會(huì)造成電池短路，產(chǎn)生安全隱患如起火。因此消除枝晶是延長(zhǎng)電池壽命的一個(gè)很重要的手段！很可惜，目前尚未有好的辦法可以阻止枝晶的產(chǎn)生，只能減緩。
想消除枝晶，就得了解它是如何形成的，目前大多數(shù)電池研究人員還是使用傳統(tǒng)的電化學(xué)測(cè)量來(lái)測(cè)量整個(gè)電池的表面或內(nèi)部，他們無(wú)法真正地知道電池內(nèi)部發(fā)生了什么，最直觀最清楚的方式是能看見(jiàn)電池內(nèi)部發(fā)生了什么。
曾經(jīng)有科學(xué)家用X射線成像技術(shù)來(lái)試圖看到電池充放電時(shí)內(nèi)部的鋰在什么地方，但是由于鋰很輕，很難捕抓到它的微弱信號(hào)。
還有科學(xué)家利用掃描電子顯微鏡和投射電子顯微鏡來(lái)觀察充放電過(guò)程中電極材料的變化時(shí)，看到了電極和電解質(zhì)之間的裂紋，這可能是枝晶生長(zhǎng)的地方。
這些觀察都不足以很清楚的看到枝晶是如何以及何時(shí)形成的，而清楚的看到枝晶的形成對(duì)查明電池故障，優(yōu)化電池性能有非常重要的作用。
最近，一個(gè)華人科研團(tuán)隊(duì)在《Advanced Energy Materials》學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了一篇研究論文，詳細(xì)地描述了他們的發(fā)現(xiàn)。
他們開(kāi)發(fā)了一種“新型原位”的3D 顯微鏡來(lái)直接對(duì)充放電反應(yīng)過(guò)程中的電極形態(tài)變化進(jìn)行成像并研究電池局部電化學(xué)環(huán)境，在電池不斷地充放電過(guò)程中，通過(guò)繪制不同時(shí)間點(diǎn)金屬的沉積速率圖，他們清楚地觀察到了電池中細(xì)小的枝晶是何時(shí)開(kāi)始、如何形成的，及開(kāi)始形成的位置，而這些過(guò)程是電池性能在一步步下降的開(kāi)始。
“通過(guò)這個(gè)過(guò)程，制造商理論上可以設(shè)計(jì)阻止枝晶生長(zhǎng)的電池結(jié)構(gòu)來(lái)制造性能更好的電池，”研究工作的主要負(fù)責(zé)人Shan說(shuō)。
對(duì)電池的研究無(wú)非就是為了使電池?fù)碛懈L(zhǎng)的壽命，更高的能量密度，更高的容量，而枝晶是這些優(yōu)秀性能的阻礙！有了這個(gè)技術(shù)，科學(xué)家可以很清楚地看到電池內(nèi)部故障的根源，這為進(jìn)一步研究如何清除枝晶邁開(kāi)了非常重要的一步！
