桑迪亚国家实验室进行全新纳米级研究 使锂金属电池更强大、更持久

研究人员一直致力于制造可靠的锂金属电池。与锂离子电池相比，这种高性能的储能电芯可以多存储50%的能量。然而，这种电池易失效，并存在易爆、易燃等安全问题，使其商用受到影响。研究人员为此提出很多原因假设，但直接证据相对较少。

据外媒报道，在完整的锂金属纽扣电池内拍摄的首批纳米级图片，对现有主流理论提出挑战，有助于未来制造高性能电池，让电动汽车更安全、更强劲，同时续航更长。

桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的电池科学家Katie Harrison领导团队进行此项研究，以提高锂金属电池的性能。Harrison表示：“我们发现，应该使用针对锂金属进行过调整的隔板材料。”

最近，桑迪亚的研究人员与赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific Inc.）、俄勒冈大学（University of Oregon）和劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）合作报告了这些图像。这项研究得到了桑迪亚实验室指导研究与发展项目（Sandia’s Laboratory Directed Research and Development program）和能源部（Department of Energy）的财政支持。

因内部副产物积聚而杀死电池

研究人员使用电动汽车充电时需要的高密度电流，对锂纽扣电芯进行反复充放电。一些电芯只进行少量循环，其他电芯则经过上百次循环。接着，将这些电芯送至位于俄勒冈州希尔斯伯勒（Hillsboro）的赛默飞世尔科技公司进行分析。

当研究人员察看电池内部的图像时，他们本以为会在电池表面发现针状锂沉积物。大多数电池研究人员认为，在重复循环后形成的锂尖状物（lithium spike）会穿过正负极之间的塑料隔板，从而形成导致短路的桥接。然而，锂是一种软金属，对于其如何穿过隔板，研究人员不甚明了。

令人惊讶的是，该团队发现了第二个罪魁祸首，那就是电池内部化学反应产生的副产物会形成硬堆积物。每当电池充电时，这些被称为固体电解质界面膜的副产物就会积聚。它盖住了锂，并在隔板中形成了小孔，为金属沉积物提供了开口，使其得以扩散，最终造成短路。总的来说，锂沉积物和副产物的危害，比之前想象的要大得多，它们起到的作用更像是扫雪机，而不是针。Harrison表示：“隔板被完全破坏了。”并且，只有在电动汽车技术要求快充电速率时，才会出现这种机制，但在较慢的充电速率下，没有发现这一点。

桑迪亚的研究人员计划改变隔板材料。但是，还需要进行深入研究，以减少副产物的产生。

科学家结合激光与低温学拍摄图像

找到导致纽扣电池失效的原因很难，问题在于其不锈钢外壳。因为金属外壳使外部诊断方法受限，如X射线。对于用于分析的电池部分来说，使用外部方法，可以不必撕裂电池层，并且不会破坏内部可能存在的任何证据。桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心的纳米级成像科学家Katie Jungjohann表示：“我们拥有各种工具，可以研究电池的不同组件。然而，我们的确还没有一种工具，可以用一个图像解决所有问题。”

Jungjohann及其同事使用了一种显微镜，其中的激光可以穿透电池的外壳。显微镜与样品夹持器相连，样品夹持器用于支撑在零下100°C和零下120°C之间冷冻的电解质。激光器提供足够的开口，让窄电子束穿透并反弹到探测器上，从而提供电池内部截面的高分辨率图像，以及可以区分不同材料的所有可用细节。

实际的演示仪器是其时美国唯一的此类工具，由位于俄勒冈州的赛默飞世尔科学实验室开发并仍然可用。目前，更新的副本在桑迪亚，并将得到广泛使用，帮助解决许多材料和故障分析问题。