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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，但直接證據相對較少。

 

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

 

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

 

       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。

 

       因內部副產物積聚而殺死電池

 

       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，其他電芯則經過上百次循環。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部的圖像時，他們本以為會在電池表面發現針狀鋰沉積物。大多數電池研究人員認為，在重復循環后形成的鋰尖狀物（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，該團隊發現了第二個罪魁禍首，那就是電池內部化學反應產生的副產物會形成硬堆積物。每當電池充電時，這些被稱為固體電解質界面膜的副產物就會積聚。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。總的來說，鋰沉積物和副產物的危害，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要求快充電速率時，才會出現這種機制，但在較慢的充電速率下，沒有發現這一點。

 

       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，以減少副產物的產生。

       科學家結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，并且不會破壞內部可能存在的任何證據。桑迪亞國家實驗室集成納米技術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。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，從而提供電池內部截面的高分辨率圖像，以及可以區分不同材料的所有可用細節。

 

        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。