锂金属电池对下一代储能拥有巨大潜力，由于锂金属负极的理论比容量是商用锂离子电池中石墨电极的10倍。它还拥有锂电池资猜中最负极电位，使其成为美满的负极。然而，由于其内部枝晶成长机造，锂是最难把持的资料之一。这种高度复杂的过程仍未齐全理解，可能导致锂离子电池偶然产生短路，着火甚至爆炸。

固然钻研人员知路树枝状晶体(在电池电极内部形成的针状锂晶须)的成长受到离子在电解质中移动的影响，但他们不相识离子传输和不均匀的离子浓度若何影响锂沉积的状态。已证明通明电解质中的成像离子传输极度拥有挑战性，并且目前的技术已经不能捕获低离子浓度和超快电解质动力学。

哥伦比亚大学的钻研人员今天颁发，他们使用了受激拉曼散射(SRS)显微镜，这是一种宽泛用于生物医学钻研的技术，用于钻研锂电池中枝晶成长背后的机造，并且这样做已成为第一个资料科学家团队。直接观察电解质中的离子迁徙。他们发现了一个锂沉积过程，别离对应三个阶段：无耗尽，部门耗尽(以前未知的阶段)和锂离子的齐全耗尽。他们还发现了锂枝晶成长与部门离子浓度异质性之间的反馈机造，能够通过第二和第三阶段的人为固体电解质中央相抑造。该论文在Nature Communications上在线颁发。

“使用受激拉曼散射显微镜，其速度足以捉拿电解质内急剧变动的环境，我们不仅可能弄明显为什么会形成锂树枝状晶体，并且还可能若何抑造它们的成长，”袁阳说。该钻研的作者，哥伦比亚工程学院资料科学与工程助理教授，利用物理与利用数学系。“GA黄金甲钻研了局批注，离子迁徙和不均匀的离子浓度对锂表表锂枝晶的形成至关沉要？墒踊胱踊疃哪芰兄谖颐歉纳聘骼嗟缁ё爸玫幕 - 不仅仅是电池，还有燃料电池和传感器。“

在这项钻研中，杨与哥伦比亚大学化学教授魏敏和该钻研的合着者合作。十年前，Min与同事共同开发了SRS，作为生物样品中化学键的映射工具。Yang从Min的网站上相识了这项技术，并意识到SRS可能是他电池钻研中的一个有价值的工具。

“SRS比传统的自觉拉曼显微镜快三到六个数量级，”Yang指出。“使用SRS，我们能够在10秒内获得分辨率为300纳米((人类头发直径的1/300)的3D图像，化学分辨率为~10 mM，从而能够对离子传输和散布进行成像。”

钻研批注，Li沉积过程有三个动态阶段：

当离子浓度远高于0时，苔藓样Li的缓慢且相对均匀的沉积;

苔藓李和枝晶的混合成长; 在此阶段，Li +耗尽部门地产生在电极左近，并且锂枝晶突起起头出现; 和

齐全耗尽后树枝状成长。当表表离子齐全耗尽时，锂沉积将以“枝晶成长”为主，您将看到锂枝晶的急剧形成。

阶段2是关键的过渡点，在该过渡点上Li表表上的非均相Li +耗尽诱导锂沉积从“苔藓锂模式”成长到“枝晶锂模式”。在这个阶段，起头出现两个区域：锂起头以更快和更快的速度沉积树枝晶的枝晶区域，以贾沉积减慢甚至终场的非枝晶区域。这些了局也与宾夕法尼亚州立大学合作者，资料科学与工程学教授陈龙清及其博士生刘哲所进行的仿照预测一致。

“奇妙地使用受激拉曼散射显微镜观察操作电极内的电解质浓度是电化学系统成像的真正突破，”麻省理工学院化学工程和数学教授Martin Bazant说。“在锂电沉积的情况下，初次直接观察到部门盐耗和树枝状成长之间的联系，这对安全可充电金属电池的设计拥有沉要意思。”

凭据他们的观察了局，哥伦比亚团队随后开发了一种步骤，通过在第2和第3阶段均匀化锂表表上的离子浓度来抑造枝晶成长。

“当我们通过沉积人造固体电解质界面使表表离子散布均匀并减轻离子异质性时，我们可能抑造枝晶的形成，”该钻研的重要作者，郑氏尝试室的博士后钻研员钱成说。“这为我们提供了一种抑造枝晶成长的战术，并在开发下一代储能的同时持续提高现有电池的能量密度。”

Min极度欣喜他的SRS技术已经成为资料和能源领域的壮大工具。“若是没有SRS显微镜，我们就无法看到并证实Li +浓度和枝晶成长之间存在这种显著的有关性，”他说。“我们很欣喜资料科学领域的更多人会相识这个工具。谁知路我们接下来会看到什么?”