在Sandia National Laboratories生产的锂金属测试电池的这张新的假彩色图像中，高速充电和重新充电的红色锂金属大大扭曲了绿色隔板，产生了黄褐色的反应副产物，这让科学家们感到惊讶。功劳:凯蒂·荣格约翰几十年来，科学家们一直试图制造可靠的锂金属电池。这些高性能存储电池比其多产的锂离子同类电池多储存50%的能量，但更高的故障率和火灾、爆炸等安全问题削弱了商业化努力。研究人员已经假设了为什么这些设备会失灵，但是直接证据很少。现在，首次在完好无损的锂金属硬币电池(也称为纽扣电池或手表电池)内部拍摄的纳米级图像挑战了主流理论，并可能有助于使未来的高性能电池，如电动汽车电池，更安全、更强大、更持久。
“我们正在学习，我们应该使用为锂金属调整的隔膜材料，”电池科学家凯蒂·哈里森说，她领导桑迪亚国家实验室的团队，提高锂金属电池的性能。
桑迪亚的科学家们与赛默飞舍科学公司、俄勒冈大学和劳伦斯伯克利国家实验室合作，最近在ACS能源快报上发表了这些图像。这项研究由桑迪亚的实验室指导研发项目和能源部资助。
内部副产品积累，杀死电池
该团队用电动汽车充电所需的相同高强度电流反复充放电锂硬币电池。一些细胞经历了几个周期，而另一些细胞经历了一百多个周期。然后，细胞被运送到俄勒冈州希尔斯伯勒的赛默飞舍科学公司进行分析。
当研究小组查看电池内部的图像时，他们预计会发现遍布电池的针状锂沉积物。大多数电池研究人员认为，反复循环后会形成锂尖峰，它会穿过阳极和阴极之间的塑料隔板，形成一个导致短路的桥。但是锂是一种软金属，所以科学家们还不知道它是如何穿过隔板的。
哈里森的团队发现了令人惊讶的第二个罪魁祸首:电池内部化学反应的副产品形成的硬堆积。每当电池充电时，副产品，称为固体电解质相间，就会增长。覆盖锂后，它在隔板上撕开了几个洞，为金属沉积物扩散形成短路创造了机会。总的来说，锂沉积物和副产品的破坏性比以前认为的要大得多，其作用不像针，而更像扫雪机。
“分离器完全被撕碎了，”哈里森说，并补充说，这种机制只在电动汽车技术所需的快速充电速率下观察到，但在较慢的充电速率下没有观察到。
当桑迪亚的科学家考虑如何改变分离器材料时，哈里森说，还需要进一步的研究来减少副产物的形成。
科学家将激光和低温技术结合起来拍摄“酷”的图像
确定硬币电池的死因令人惊讶地困难。麻烦来自它的不锈钢外壳。金属外壳限制了像x光这样的诊断从外部看到的东西，而移除电池的一部分进行分析会撕裂电池的层，并扭曲内部可能存在的任何证据。
“我们有不同的工具可以研究电池的不同组件，但实际上我们还没有一种工具可以在一张图像中解决所有问题，”集成技术中心的Sandia纳米级成像科学家Katie Jungjohann说。该中心是由桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的用户设施。
她和她的合作者们使用了一台带有激光的显微镜来穿透电池的外壳。他们将它与一个样品架配对，使细胞的液体电解质在零下148到零下184华氏度(分别为零下100和零下120摄氏度)的温度下保持冻结。激光产生一个足够大的开口，让狭窄的电子束进入并反弹到检测器上，提供电池内部横截面的高分辨率图像，具有足够的细节来区分不同的材料。
最初的演示仪器是当时美国唯一的这种工具，它被制造出来，现在仍然保存在俄勒冈州的赛默飞舍科学实验室。一个更新的副本现在驻留在桑迪亚。该工具将在Sandia广泛使用，以帮助解决许多材料和故障分析问题。
“这是电池研究人员一直想看到的，”Jungjohann说。
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