当前的电动汽车和智能手机等设备需要大量使用电池。随着技术迅速发展，人们希望电池更坚固、更安全。但是，每次充电时电池内部会形成细小的枝晶。当枝晶积聚时，它们会在电池内部形成金属桥，使电子传输不受控制。这很容易损坏电池，甚至可能产生起火风险。到目前为止，研究人员可以用来表征枝晶形成的技术还很有限。
（图片来源：魏茨曼科学研究所）
据外媒报道，在魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）分子化学和材料科学系Michal Leskes教授实验室进行的一项新研究中，由Ayan Maity博士领导的研究人员开发了一种创新技术，不仅可以识别电池内部影响枝晶积聚的因素，还能快速检查替代电池组件的有效性和安全性。
充电电池的工作原理是使带正电荷的离子通过电解质从阳极移动至阴极。当电池充电时，离子会返回阳极，这使得电池可以重复使用。锂金属电池的创新之处是它们的阳极由纯锂金属制成，因此能够储存大量的能量。问题在于锂金属的化学活性很高，可能与其遇到的不同物质相互作用。当它与电解质相互作用时会迅速产生大量枝晶，从而影响电池性能。
通过使用不易燃的固体材料来替代电池中的液体易燃电解质，如聚合物和陶瓷颗粒复合材料，可以避免起火危险。这两种成分之间的平衡可以明显影响枝晶形成，但主要挑战仍然在于找到理想的成分来延长电池寿命。
该团队使用公认的核磁共振（NMR）光谱法来解决这个问题，以跟踪枝晶演变过程并识别电解质内的化学相互作用。Leskes表示：“当在具有不同聚合物和陶瓷比例的电池中检查枝晶时，我们发现了一种‘黄金比例’，由40%陶瓷组成的电解质寿命最长。当陶瓷含量超过40%时，所遇到的结构和功能问题会阻碍电池性能，而低于40%会导致电池寿命缩短。令人惊讶的是，在表现最佳的电池中枝晶数量增加，但其生长受到阻止，并且所形成的危险桥梁更少。”
研究人员推测，阻碍枝晶生长的是其表面的一层薄层，即固体电解质界面层（SEI）。枝晶与电解质发生反应时形成SEI层，其中由各种对电池具有正面或负面影响的物质组成。例如，SEI层的化学成分可以阻碍或促进锂离子沿电池移动，并阻止或促进有害物质从阳极向阴极移动，这反过来又可以阻碍或加速枝晶生长。
为了表征SEI层，研究人员需要“跳出电池的思维”。这些层仅由几十纳米的原子组成，因此利用NMR从中获取的信号相当微弱。为了增强信号，研究人员采用了一种很少用于电池研究的技术——通过动态核极化（dynamic nuclear polarization）来增强NMR。
该技术利用极化锂电子的强自旋，它可以发出强大的信号，从而增强SEI层中原子核发出的信号。通过这种技术，研究人员能够揭示SEI层的精确化学成分，从而帮助揭示锂与电解质中各种结构之间发生的相互作用。例如，这可以确定在锂与聚合物或陶瓷相互作用过程中是否形成了枝晶。令人吃惊的是，研究人员发现，在枝晶上形成的SEI层有时会使电解质中的离子传输更有效，同时还能阻挡危险物质。
这项研究供了新的见解，可用于开发更坚固、更强大和更安全的电池，能够以更低的环境和经济成本提供更多的能量。未来，这些电池有望为更大、更智能的设备供电，而无需增加电池尺寸，同时延长使用寿命。
另外，电池中SEI层的厚度不超过5到50纳米（大约是人类头发厚度的1/1000），但其中仍含有复杂的化学结构。使用NMR光谱法了解SER层的化学成分需要数年时间，但通过动态核极化，这项任务可以在几小时内完成。