科学家终于看到了充放电过程中锂电池的性能是如何一步步下降的

生活中，我们会使用很多需要金属电池作为续航动力的电子产品，如使用锂离子电池的手机、电脑、电动汽车等。很多人也会有这样的经验，电子产品使用时间长了以后，充电时会发现电池容易发热，充电速度变得越来越慢，续航能力下降严重，这个很容易理解，因为电池在逐渐的老化了。

但是有些人可能会说，我的电池才用了不到一年，怎么也有这种情况呢？那可能是因为充电方式不对，加速了电池的老化，比如经常使用快充；还有些人说我新买的手机基本没怎么用，怎么也充不进电了，这可能是因为过放电导致了电池容量下降。

以锂离子电池为例，电池的工作原理是锂离子在电池的阳极和阴极之间来回跑动，产生的化学能和电能互相转化的一个过程，能跑动的锂离子越多，电池越优秀，从这点上理解，电池续航能力下降是因为能跑动的锂离子越来越少了。

那么，为什么会出现这种现象呢？锂离子怎么会变少呢？变少的锂离子去了哪里？

电池本身的质量如电极材料的容量不足，充电如大电流充电、过充、快充、充电次数太多，还有过放电都会逐渐地减少锂离子的跑动数量，即电池容量下降。

变少的锂离子形成了树枝状的晶体，称为锂枝晶，从离子状态变成晶体状态，被固定住了自然就不能跑了，不跑那产生的电能就少了，电池续航就大打折扣，进而缩短电池的寿命。

此外枝晶逐渐生长还会造成电池短路，产生安全隐患如起火。因此消除枝晶是延长电池寿命的一个很重要的手段！很可惜，目前尚未有好的办法可以阻止枝晶的产生，只能减缓。

想消除枝晶，就得了解它是如何形成的，目前大多数电池研究人员还是使用传统的电化学测量来测量整个电池的表面或内部，他们无法真正地知道电池内部发生了什么，最直观最清楚的方式是能看见电池内部发生了什么。

曾经有科学家用X射线成像技术来试图看到电池充放电时内部的锂在什么地方，但是由于锂很轻，很难捕抓到它的微弱信号。

还有科学家利用扫描电子显微镜和投射电子显微镜来观察充放电过程中电极材料的变化时，看到了电极和电解质之间的裂纹，这可能是枝晶生长的地方。

这些观察都不足以很清楚的看到枝晶是如何以及何时形成的，而清楚的看到枝晶的形成对查明电池故障，优化电池性能有非常重要的作用。

最近，一个华人科研团队在《Advanced Energy Materials》学术期刊上发表了一篇研究论文，详细地描述了他们的发现。

他们开发了一种“新型原位”的3D 显微镜来直接对充放电反应过程中的电极形态变化进行成像并研究电池局部电化学环境，在电池不断地充放电过程中，通过绘制不同时间点金属的沉积速率图，他们清楚地观察到了电池中细小的枝晶是何时开始、如何形成的，及开始形成的位置，而这些过程是电池性能在一步步下降的开始。

“通过这个过程，制造商理论上可以设计阻止枝晶生长的电池结构来制造性能更好的电池，”研究工作的主要负责人Shan说。

对电池的研究无非就是为了使电池拥有更长的寿命，更高的能量密度，更高的容量，而枝晶是这些优秀性能的阻碍！有了这个技术，科学家可以很清楚地看到电池内部故障的根源，这为进一步研究如何清除枝晶迈开了非常重要的一步！