科技日报记者 张佳欣
在锂离子电池内部，有一种被称为“锂枝晶”的结构，形似微小的金属“尖刺”，长期以来，它一直被认为是导致电池性能衰退甚至短路的重要原因。美国莱斯大学、新加坡南洋理工大学等机构的国际科研团队首次在工作电池中，直接观察到锂枝晶的生长与断裂过程，揭示了其此前未知的力学特性，为提升电池安全性提供了新思路。相关成果发表在最新一期《科学》杂志上。
锂枝晶直径仅为发丝的百分之一，可能刺穿电池内部结构，引发短路。此外，部分锂枝晶还会在电池充放电过程中不断形成和断裂，形成所谓的“死锂”，导致电池容量逐渐下降，并缩短使用寿命。更棘手的是，一旦枝晶形成，目前尚无有效方法能在不拆解电池的情况下将其清除。
为了看清这些纳米级“尖刺”的真实特性，研究团队开发了专门的样品制备和测试平台，从正在运行的电池中提取锂枝晶，并对其机械性能进行定量分析。由于金属锂极易与空气发生化学反应，团队构建了密闭的无氧实验环境，并借助高分辨率电子显微镜，首次观察到单根枝晶在受力条件下的形变过程。
出乎意料的是，锂枝晶并不像块体锂那样柔软，而是表现出较强的刚性和明显的脆性。在电池运行过程中，团队实时观察到枝晶发生断裂的现象。枝晶更像“干燥的意大利面条”，更坚硬且更脆，在受力时更容易发生脆断。
进一步的模拟研究发现，在电池内部形成过程中，枝晶表面会被一层固态电解质界面膜（SEI）包覆。这层SEI使枝晶变得更加坚硬、呈针状结构，使其能刺穿电池隔膜和电解质，同时也更容易在应力作用下断裂。这些断裂后的碎片会以“死锂”形式在电池内部不断累积，进一步加剧电池性能衰退。
团队表示，这一发现为调控枝晶生长提供了新的物理依据。例如，采用锂合金负极等设计，有望降低枝晶发生脆断的风险，从而提高锂金属电池的安全性和稳定性。
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