消費(fèi)者的需求驅(qū)使工程師設(shè)計(jì)出更緊湊的電池，同時(shí)保持甚至提高容量。從表面上看，似乎有足夠的空間來增加電池容量，而又不會將充電電流密度提高到臨界電流密度(稱為極限電流密度)，否則電池可能會短路。

然而，已知以電流密度(在定義的時(shí)間內(nèi)流經(jīng)特定區(qū)域的電量)遠(yuǎn)低于其既定閾值的電池會發(fā)生故障。

現(xiàn)在，麥凱維工程學(xué)院能源，環(huán)境和化學(xué)工程助理教授彭柏的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的研究不僅具有逼近閾值的能力，而且還能夠準(zhǔn)確預(yù)測任何特定電流密度下的短路時(shí)間。

研究結(jié)果于8月在線發(fā)表在“能源與環(huán)境科學(xué)”雜志上。

研究人員不僅描述了這種關(guān)系，而且還能夠用一個數(shù)字來表達(dá)它。“這一個數(shù)字定義了最重要的物理量，電流密度和短路時(shí)間之間的關(guān)系。”第一作者，白族實(shí)驗(yàn)室的博士生Youngju Lee說。另一位博士生馬炳元也在研究團(tuán)隊(duì)中。

鋰電池可能有多種失效方式，但長期以來與大電流相關(guān)的問題是枝晶滲透。樹突是可以在電池的鋰鍍層上形成的樹狀結(jié)構(gòu)。它們可以快速穿透電池的陶瓷隔板，即電池陽極和陰極之間的多孔塑料膜。一旦枝晶穿過隔板，電池就會短路。

樹枝狀晶體的生長取決于電流密度，但樹枝狀晶體會以比預(yù)期或設(shè)計(jì)高出三個數(shù)量級的電流密度在電池中彈起。

在先前對電池故障的研究中，研究人員將打開電池并在隔板上看到黑點(diǎn)，表明樹狀晶體已滲入隔板的位置。

當(dāng)Lee做同樣的事情并分析斑點(diǎn)覆蓋的面積時(shí)，它們竟然是隔板總面積的0.1%，這意味著負(fù)責(zé)的電流必須比預(yù)期高1000倍。

盡管還沒有達(dá)到臨界電流密度，但電池如何短路仍然是一個難題。

Bai說：“在設(shè)計(jì)電池時(shí)，我們使用電極或隔板的整個面積來計(jì)算電流密度。” 但是，導(dǎo)致高電流密度的任何因素均在本地發(fā)生。

利用Bai實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的獨(dú)特，透明的毛細(xì)管電池，他們能夠觀察鋰金屬的生長動態(tài)，并重建通過隔板孔的實(shí)際金屬滲透動態(tài)。Bai說：“我們發(fā)現(xiàn)它比我們想象的要復(fù)雜。” “它對通道的幾何形狀非常敏感。”

從本質(zhì)上講，他們發(fā)現(xiàn)具有匯聚截面面積的單個電解質(zhì)通道，以及可能在金屬生長方向上引起越來越少的滲透孔的有效實(shí)用的隔板，將加速并加劇動力學(xué)并導(dǎo)致更快的短路。

李說：“但是，如果你擁有一個不斷擴(kuò)大的渠道，你可以延遲甚至避免樹突的形成。” “這就是我們發(fā)現(xiàn)的東西。我們?nèi)绾蚊枋鲞@些渠道?”