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在鋰離子電池內(nèi)部，有一種被稱為“鋰枝晶”的結(jié)構(gòu)，形似微小的金屬“尖刺”，長期以來，它一直被認(rèn)為是導(dǎo)致電池性能衰退甚至短路的重要原因。美國萊斯大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等機構(gòu)的國際科研團隊首次在工作電池中，直接觀察到鋰枝晶的生長與斷裂過程，揭示了其此前未知的力學(xué)特性，為提升電池安全性提供了新思路。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上。

鋰枝晶直徑僅為發(fā)絲的百分之一，可能刺穿電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引發(fā)短路。此外，部分鋰枝晶還會在電池充放電過程中不斷形成和斷裂，形成所謂的“死鋰”，導(dǎo)致電池容量逐漸下降，并縮短使用壽命。更棘手的是，一旦枝晶形成，目前尚無有效方法能在不拆解電池的情況下將其清除。

為了看清這些納米級“尖刺”的真實特性，研究團隊開發(fā)了專門的樣品制備和測試平臺，從正在運行的電池中提取鋰枝晶，并對其機械性能進行定量分析。由于金屬鋰極易與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，團隊構(gòu)建了密閉的無氧實驗環(huán)境，并借助高分辨率電子顯微鏡，首次觀察到單根枝晶在受力條件下的形變過程。

出乎意料的是，鋰枝晶并不像塊體鋰那樣柔軟，而是表現(xiàn)出較強的剛性和明顯的脆性。在電池運行過程中，團隊實時觀察到枝晶發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。枝晶更像“干燥的意大利面條”，更堅硬且更脆，在受力時更容易發(fā)生脆斷。

進一步的模擬研究發(fā)現(xiàn)，在電池內(nèi)部形成過程中，枝晶表面會被一層固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI）包覆。這層SEI使枝晶變得更加堅硬、呈針狀結(jié)構(gòu)，使其能刺穿電池隔膜和電解質(zhì)，同時也更容易在應(yīng)力作用下斷裂。這些斷裂后的碎片會以“死鋰”形式在電池內(nèi)部不斷累積，進一步加劇電池性能衰退。

團隊表示，這一發(fā)現(xiàn)為調(diào)控枝晶生長提供了新的物理依據(jù)。例如，采用鋰合金負極等設(shè)計，有望降低枝晶發(fā)生脆斷的風(fēng)險，從而提高鋰金屬電池的安全性和穩(wěn)定性。