纳米科学：新设备在工作和充电时拍摄锂电池的图像

锂电池广泛应用于从电动汽车到笔记本电脑的各种电池，但在原子尺度上还不是很清楚。为了了解纳米尺度上发生了什么，美国能源部能源储存研究联合中心（JCESR）的科学家们设计并实施了一种小型设备，称为操作电化学阶段。

在现有技术的像差校正透射电子显微镜内使用该阶段，当电池运行时，锂离子沉积在电极上或从电极溶解时，可以拍摄纳米级分辨率的锂离子图像，在新阶段，科学家可以直接对变化进行成像。新图像可以精确测量和描述电池内部发生的情况。此信息对于控制性能和安全限制过程至关重要。现在，科学家们可以快速可视化并测试新的电极和电解质配对（参见电池101）。新阶段将有助于快速分选更持久，更安全的电池选项。

超越目前的行业标准锂离子电池一直很困难。在锂-空气和其他设计中，电极-电解质界面处的相互作用影响电池的性能和安全性。为了解这些反应，作为JCESR的一部分，太平洋西北国家实验室的科学家创造了一个操作电化学阶段。在像差校正扫描透射电子显微镜中使用它，科学家现在可以在电池操作期间化学成像铂阳极和电解质之间的界面，成像方法突出了固体锂金属，从构成保护性固体电解质中间相层的组分中唯一地识别它。利用这些图像和标准电化学数据，科学家们可以在纳米尺度上量化每次充电/放电循环后不可逆沉积的锂量。这意味着他们可以看到枝晶-微观荆棘，它们会导致电池失效-形成时。

该技术还显示了固体电解质中间相层的生长，其包裹并保护阳极。由于电解质分解而形成该层。在他们的研究中，该团队发现延长电池循环会导致锂层在层下生长-树枝状晶体的起源对电池安全性和性能有影响，这种新的成像工具为快速可视化和测试新电池系统的电极/电解质配对提供了可能性。这些系统可以让电动汽车在两次充电之间行驶很远。此外，有一天，这样的系统可以存储来自风能和太阳能站的能量，从而在需要时提供间歇能量，目前使用的大多数可充电电池都是锂离子电池，它有两个电极：一个带正电并含锂，另一个带负极，通常由石墨制成。当电子流过连接两者的电线时会产生电流。为了控制电子，带正电的锂原子通过另一条路径从一个电极移动到另一个电极：电极所在的电解质溶液。但是石墨具有低能量存储容量，限制了锂离子电池可以为智能电话和电动汽车提供的能量。

当锂基可充电电池于20世纪70年代首次开发时，研究人员将锂用作负极，也称为负极。之所以选择锂，是因为它的储能容量是石墨的十倍。问题是，载锂电解质与锂阳极反应。这导致微观锂枝晶生长并导致早期电池失效。

多年来，许多人已经调整了可充电电池以试图解决树突问题。在20世纪90年代早期，研究人员转向其他材料，如石墨作为阳极。最近，科学家们还为阳极涂上了保护层，而其他人则制造了电解质添加剂。一些解决方案消除了枝晶，但也导致不使用的电池功率很小。其他方法只是减缓，但并未停止，纤维的增长。