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（圖片來源：桑迪亞國家實驗室）

 

       研究人員一直致力于制造可靠的鋰金屬電池。與鋰離子電池相比，這種高性能的儲能電芯可以多存儲50%的能量。然而，這種電池易失效，并存在易爆、易燃等安全問題，使其商用受到影響。研究人員為此提出很多原因假設(shè)，但直接證據(jù)相對較少。

 

       據(jù)外媒報道，在完整的鋰金屬紐扣電池內(nèi)拍攝的首批納米級圖片，對現(xiàn)有主流理論提出挑戰(zhàn)，有助于未來制造高性能電池，讓電動汽車更安全、更強勁，同時續(xù)航更長。

 

       桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的電池科學家Katie Harrison領(lǐng)導團隊進行此項研究，以提高鋰金屬電池的性能。Harrison表示：“我們發(fā)現(xiàn)，應該使用針對鋰金屬進行過調(diào)整的隔板材料。”

 

       最近，桑迪亞的研究人員與賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific Inc.）、俄勒岡大學（University of Oregon）和勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）合作報告了這些圖像。這項研究得到了桑迪亞實驗室指導研究與發(fā)展項目（Sandia’s Laboratory Directed Research and Development program）和能源部（Department of Energy）的財政支持。

 

       因內(nèi)部副產(chǎn)物積聚而殺死電池

 

       研究人員使用電動汽車充電時需要的高密度電流，對鋰紐扣電芯進行反復充放電。一些電芯只進行少量循環(huán)，其他電芯則經(jīng)過上百次循環(huán)。接著，將這些電芯送至位于俄勒岡州希爾斯伯勒（Hillsboro）的賽默飛世爾科技公司進行分析。

 

       當研究人員察看電池內(nèi)部的圖像時，他們本以為會在電池表面發(fā)現(xiàn)針狀鋰沉積物。大多數(shù)電池研究人員認為，在重復循環(huán)后形成的鋰尖狀物（lithium spike）會穿過正負極之間的塑料隔板，從而形成導致短路的橋接。然而，鋰是一種軟金屬，對于其如何穿過隔板，研究人員不甚明了。

 

       令人驚訝的是，該團隊發(fā)現(xiàn)了第二個罪魁禍首，那就是電池內(nèi)部化學反應產(chǎn)生的副產(chǎn)物會形成硬堆積物。每當電池充電時，這些被稱為固體電解質(zhì)界面膜的副產(chǎn)物就會積聚。它蓋住了鋰，并在隔板中形成了小孔，為金屬沉積物提供了開口，使其得以擴散，最終造成短路�？偟膩碚f，鋰沉積物和副產(chǎn)物的危害，比之前想象的要大得多，它們起到的作用更像是掃雪機，而不是針。Harrison表示：“隔板被完全破壞了。”并且，只有在電動汽車技術(shù)要求快充電速率時，才會出現(xiàn)這種機制，但在較慢的充電速率下，沒有發(fā)現(xiàn)這一點。

 

       桑迪亞的研究人員計劃改變隔板材料。但是，還需要進行深入研究，以減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

       科學家結(jié)合激光與低溫學拍攝圖像

 

       找到導致紐扣電池失效的原因很難，問題在于其不銹鋼外殼。因為金屬外殼使外部診斷方法受限，如Ｘ射線。對于用于分析的電池部分來說，使用外部方法，可以不必撕裂電池層，并且不會破壞內(nèi)部可能存在的任何證據(jù)。桑迪亞國家實驗室集成納米技術(shù)中心的納米級成像科學家Katie Jungjohann表示：“我們擁有各種工具，可以研究電池的不同組件。然而，我們的確還沒有一種工具，可以用一個圖像解決所有問題。”

 

       Jungjohann及其同事使用了一種顯微鏡，其中的激光可以穿透電池的外殼。顯微鏡與樣品夾持器相連，樣品夾持器用于支撐在零下100°C和零下120°C之間冷凍的電解質(zhì)。激光器提供足夠的開口，讓窄電子束穿透并反彈到探測器上，從而提供電池內(nèi)部截面的高分辨率圖像，以及可以區(qū)分不同材料的所有可用細節(jié)。

 

        實際的演示儀器是其時美國唯一的此類工具，由位于俄勒岡州的賽默飛世爾科學實驗室開發(fā)并仍然可用。目前，更新的副本在桑迪亞，并將得到廣泛使用，幫助解決許多材料和故障分析問題。