鋰離子電池鋰枝晶形成原因，如何發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)早期鋰枝晶？鋰枝晶是指采用液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池在充電時，鋰離子還原時形成的樹枝狀金屬鋰單質(zhì)。金屬鋰之所以未被作為負(fù)極活性材料，是由于金屬鋰在負(fù)極上會結(jié)晶形成樹枝狀的金屬鋰——“鋰枝晶”?！颁囍А鄙L到一定程度便會刺破隔膜，造成鋰離子電池內(nèi)部短路，嚴(yán)重威脅人身安全。

鋰離子電池鋰枝晶形成原因

（1）電極表面不均勻：造成電極表面不均的原因有：單電極涂布不均，兩極重量差別較大，活性物質(zhì)含有雜質(zhì)等等。表面粗糙度越大，越有利于鋰枝晶的形成。

（2）過放：在放電過程中，負(fù)極鋰離子濃度逐步增高，正極鋰離子濃度緩慢變小，當(dāng)深度放電時，由于負(fù)極接收鋰離子數(shù)量與擴散能力有限，所以剩余的鋰離子將游離該極表面，并析出。

（3）鋰離子濃度梯度及分布：鋰離子從正極材料中脫出后，穿過電解液和隔膜，嵌入負(fù)極。在充電過程中，正極鋰離子濃度不斷升高，負(fù)極鋰離子濃度逐漸減小，在電流密度大的稀溶液中，離子濃度可視為0，表明負(fù)極形成局部空間電荷，并生成枝晶，枝晶結(jié)構(gòu)生長速度和電解液中離子偏移速率相同。

如何發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)早期鋰枝晶？

為了捕獲樹枝狀結(jié)構(gòu)，將窗口鋰離子電池安裝在高清視頻顯微鏡上，并將其連接，以便可以監(jiān)測枝晶生長和兩個電極之間的電壓，這些數(shù)據(jù)會在充電和放電循環(huán)期間發(fā)生變化。將電極的觀察結(jié)果——枝晶生長或收縮，以及一般的降解狀態(tài)——電壓測量結(jié)果相聯(lián)系起來，然后將電壓模式與特定的枝晶活性聯(lián)系起來。

1.氫氣捕捉法檢測鋰枝晶生長

搭建了原位光學(xué)觀測和H2氣體捕獲平臺，演示了利用H2氣體捕獲檢測鋰枝晶生長的原理。密封在玻璃瓶中鋰離子電池所出現(xiàn)的氣體進入氣相色譜儀并自動檢測，用光學(xué)顯微鏡可以同時記錄枝晶的形成行為。正常情況下鋰離子從正極中脫除，并以LiC6的形式嵌入石墨負(fù)極中。在過充電或快速充電條件下鋰枝晶開始在石墨負(fù)極的鋰飽和部分生長，并與聚合物粘合劑發(fā)生反應(yīng)生成氫氣。

2.無聚合物粘結(jié)劑時，鋰枝晶的原位檢測

為了排除電解液還原及其他物質(zhì)的干擾，組裝了另外兩個鋰離子電池（LiFePO4-Cu和LiFePO4-石墨電池），沒有任何聚合物粘結(jié)劑。關(guān)于LiFePO4-石墨電池，在1080s時觀察到鋰枝晶生長，電池電壓約為3.6V。在LiFePO4-Cu電池，鋰離子直接鍍在銅箔表面形成鋰金屬。然而，由于光學(xué)顯微鏡觀察的局限性，在120s左右觀察到鋰枝晶生長，電池電壓約為3.6V。

樹突是一種微小、堅硬的樹狀結(jié)構(gòu)，會在鋰離子電池中生長，其針狀突起的部分稱為枝晶。兩種東西都會造成巨大傷害，能夠穿透電池內(nèi)部的隔膜，就像雜草可以穿透水泥露臺或鋪好的道路相同。而且，此類物質(zhì)還會新增電解質(zhì)與鋰之間的不良反應(yīng)，加速電池失效。鋰金屬電池的能量密度比常用的鋰離子電池更高，不過，樹突和枝晶的存在阻礙了鋰金屬電池的普及。

在長期循環(huán)充放電中，鋰枝晶的形成是我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫匿囯x子電池防止不了環(huán)節(jié)之一，限制了其在眾多場合的應(yīng)用。鋰枝晶形成必須克服熱力學(xué)臨界半徑，才能有足夠的能量形核；單個晶核必須大于動力學(xué)臨界半徑才能夠生長，否則該晶核就緩慢消失。