电池电极尖端的锂喷发，电极体内的裂缝以及电极表面形成的涂层表明电池多次充电会导致其死机。
研究人员使用功能强大的显微镜观察实际电池条件下的多次充电和放电循环，深入了解堵塞可充电锂电池的化学成分。这项工作发表在3月份的Nano Letters杂志上，将帮助研究人员设计更便宜，功能更强大的可充电电池，其金属比锂更普通，更安全。
“这项工作是导致锂枝晶，纳米粒子和纤维形成的第一个视觉证据，这些锂枝晶，纳米粒子和纤维常见于可充电锂电池中，随着时间的推移逐渐积累并导致电池失效，”该部门的物理学家，首席科学家奈杰尔·布朗宁说。能源太平洋西北国家实验室。
树枝状的窘迫
任何拥有垂死手机的人都知道，如果可充电电池能够提供更多电量，持续时间更长且更便宜，那将会很不错。解决这些问题也可以使电动汽车和可再生能源更具吸引力。使用诸如镁或铝之类的金属代替锂可以改善电池寿命和成本，但是对非锂可充电电池的研究和开发远远落后于普通的商用锂离子电池。
为加快可充电电池的开发，能源部资助了能源储存研究联合中心，该中心由多个国家实验室，大学和私营企业合作。多学科的科学家团队探索各种问题，希望通过理解潜在的化学原理来克服它们。
例如，可充电电池遭受折磨电池电极的枝晶，微观，针状纤维的生长。最近，由PNNL领导的JCESR研究人员发现了一种通过使用特殊电解质消除锂电池中枝晶的方法[ http://www.pnl.gov/news/release.aspx?id=4181 ]。为了更好地理解枝晶的形成和可以在微观层面上进行预防，由PNNL的Nigel Browning领导的另一个JCESR团队设计了一种显微镜，可以检查一个完整的工作电池。
与其他高倍放大电池内部工作方式不同，其中大多数只使用电池的一部分，或者必须在通常不用于电池的压力下研究它们，Browning团队在正常工作条件下创造了一个功能齐全的电池。
“这是非常令人兴奋的工作，”第一作者Layla Mehdi说。“我们在透射电子显微镜内构建了一个真正的工作电池。优点是我们可以直接观察电解质 - 电极界面上的所有化学反应，就像在电池循环过程中发生的一样。”
微观ch-ch-ch充电
为此，该团队必须根据自己的需求定制透射电子显微镜。特别是，他们必须克服显微镜高能量束所造成的损害：电子显微镜使用电子束来观察视野中的内容，就像普通显微镜使用光一样。该团队确定了在受到伤害之前照射光束的最佳方法。这使研究人员可以反复充电和放电微电池，并确保他们在电池操作范围内看到的变化是由于电池操作而不是光束本身。
他们的实验电池采用铂电极和常用的电池液体电解质，称为碳酸亚丙酯中的六氟磷酸锂。电解液带正电的锂离子的作用是在电池充电时聚集在铂电极上，在电池使用之前它们保持电力。
锂离子完成了它们的工作。当团队将电子泵入电池时，锂离子聚集到电极上，这似乎像1970年代的Chia宠物一样长出一簇簇的头发。
电池放电使簇绒放气，但不完全。进一步分析显示，与通常报道的电解质分解产物相比，剩余的簇只能是基于其低密度的锂金属。向这些“死锂”团块中丢失游离锂离子会降低电池的性能。
另外，在电极上排出左裂缝。更多的充电和放电循环导致更多裂缝生长并且死锂积聚，一些在电解质内，一些在电极表面上。
重要的是，研究人员能够测量电极表面上众所周知的层的生长，这会干扰性能。将SEI称为固体电解质中间相，由于锂与电解质之间的相互作用而形成该层。最终SEI会阻止电池充电。显微成像揭示了层的形成速度和位置。
虽然这些实验告诉他们有关锂的行为，但布朗宁说他更兴奋地应用这项技术来研究其他金属阳极，镁，铜等金属以及可能导致新一代电池系统的其他金属阳极。
“一旦你能想象这一点，”他说，“为什么在你知道电池衰减速度的几天和几天内循环使用电池?现在我们可以减少骑行并继续测试新电池化学的个性化特征。 “