锂离子电池由于错误的原因成为头条新闻：作为火灾隐患。就在今年五月，和瑞士报道了特斯拉汽车发生三起明显的电池火灾。根据联邦航空管理局的数据，仅在，锂离子电池发生火灾，平均每10天就会发生一次飞行。同样的问题折磨着电子烟，它们偶尔在人们的脸上爆炸。
没有任何其他缺点阻碍了迄今为止最有希望的电池技术在我们有生之年出现的进展。锂离子电池储存的能量远远超过以前的化学品所能管理的能力，这使得它们对手机，无人机，汽车甚至飞机未来的成功至关重要。
解决这个问题不仅可以保护生命和财产，还可以使用更紧凑的电池更大的电池组。我们终于能够充分利用这项技术所允许的巨大的能量重量比或比能量。更重要的是，我们能够在使用锂金属的下一代电池方面取得进展。
今天的锂离子电池的问题可以很大程度上追溯到树枝状晶体，在充电和放电的重复循环中在电极表面上形成的微小线状结构。但是通过我们在达特茅斯和斯坦福的工作，我们两个人发现，对电解质进行一点化学调整可以阻止讨厌的增长。
锂离子电池组总是由一个或多个隔室或电池组成，每个隔室或电池具有两个电极，所述隔室由极薄的聚合物薄膜覆盖，称为隔板，防止它们直接接触。渗透多孔隔板的是电解质，这种材料 – 现在通常是液体 – 允许锂离子在充电和放电期间来回移动。
对超薄分离器的最轻微损坏可使电极直接接触并产生内部短路，这可产生足够的热量以使电池着火。然后，火的热量可能使相邻的电池过热，导致链式反应，很容易导致整个电池组爆炸。
因此，最重要的是细胞分离器的完整性。当然，必须在制造过程中尽一切努力以防止损坏隔板，但是如果树枝状晶体随后损坏它，即使是完美制造的隔板也会失效。
枝晶是从阳极生长的尖锐的锂金属。这些纤维可以像野葛一样蔓延到电解液中，刺穿分离器并进入阴极。令人惊讶的是，如此微小的小东西会造成如此大的破坏：例如，他们应对 2013年全球波音787飞机起火的火灾负责。
当电池过度充电时，枝晶往往会增长，因为那时迁移到阳极的锂离子不再能够找到一个泊位。通常情况下，离子在阳极的原子层之间滑动，这个过程称为插层，但是当层之间的空间全部被填满时(如在过度充电过程中可能发生的那样)，锂在其他任何地方都无法进入表面。在那里，它们形成金属晶体的种子，随着每个新的充电 – 放电循环而生长。
解决枝晶生长问题不仅对今天的锂离子电池产生影响，而且对未来需要锂金属阳极的电池也有影响。这是因为锂金属具有高的理论比能量 – 每克3,860毫安 – 并且负电化学势能没有其他阳极材料可以匹配。更高的电位允许更高的电池电压，这正是电动汽车和移动设备所需要的。
这两种品质使得锂阳极对于仍在实验室中的电池技术至关重要，例如极具前景的锂 – 硫和锂 – 空气电池，其能够存储的重量是当今锂离子电池设计的5到10倍。这些未来的电池可能无法合并 – 锂离子电池做石墨制成的阳极，其理论容量仅为372 mAh / g。
锂枝晶的形成发生在阳极和电解质之间的交汇点，在称为固体电解质中间相(SEI)的层中。在足够的锂离子进入阳极并在那里接受电子之后，阳极最终膨胀到足以破坏SEI层。从那时起，锂开始在SEI的破碎部分形成沉积物。这些沉积种子树突。
之后，在放电期间，锂离子被拉出阳极，再次收缩。SEI层坍塌，产生更多的裂缝和针孔，下一次细胞充电时，更多的树突可以开始射出。而且，通过将如此多的金属锂暴露于电解质，这些裂缝使得两种组分能够化学反应。随着锂消失在所得的化学产品中，留在电池中使用的锂会减少。这种下降降低了所谓的库仑效率，这可以通过将从使用中除去的锂量除以在每次充电 – 放电循环期间仍然参与反应的锂的量来确定。
而且，由于它们非常易碎，树枝状结构常常从阳极脱落，产生不能再使用的“死锂”，这进一步降低了电池的库仑效率。为了弥补这种损失，今天的电池必须包含过量的锂，这大大增加了它们的重量和成本。
为了阻止树突，我们需要通过形成一个均匀稳定的“超级”SEI层来支撑SEI。实现此目的的一种方法是通过铺设人造SEI层来改变阳极表面。我们已经尝试过了，它确实有效。不幸的是，这种方法使锂离子电池的制造大大复杂化。
另一种策略是通过包含增强SEI层的物质来重新配制电解质。挑战在于这些添加剂必须易于溶解，并且大多数候选材料对电池研究人员来说不是长期存在的问题。快速溶解的添加剂在循环过程中被消耗，因此SEI层长期分离。
那你怎么找到合适的添加剂呢?我们在环形路径之后得到了我们的关键想法。
我们一直在考虑这个问题锂硫电池，我们前面提到的未来技术。从理论上讲，这种组合如此具有吸引力的是它能够存储相同数量的质量 – 超过当今锂离子电池能量的五倍。这种电池使用金属锂作为阳极，使用硫作为阴极，并且在充电或放电期间发生的反应期间，存在许多在硫阴极处产生中间产物的步骤。这些产品称为多硫化物离子，在电解质中高度可溶，这意味着当电池工作时，它们可以从阴极行进，通过分离器，然后到达阳极。这不好：只有锂离子应该到那么远。当这些多硫化物离子撞击阳极时，它们与锂发生剧烈反应，接受电子，并减少为固体。这个过程不仅会慢慢耗尽系统中的硫，而且还会逐渐形成可能破坏锂阳极的涂层。这一直是困扰锂硫电池发展的主要困难。
为了避免这种寄生反应，研究人员首先主要试图限制多硫化物从硫阴极中浸出。在我们的一次头脑风暴会议中，我们开始思考不同，正如史蒂夫乔布斯可能会说：如果我们能够真正利用这种反应怎么办?通过控制多硫化物离子如何与锂反应，也许我们不仅可以形成一个强大而稳定的SEI层，而且实际上可以在树枝上夹住树枝状晶体!
同时，我们发现硝酸锂 – 一种非常常用的锂盐 – 长期以来被认为是潜在的电解质添加剂，因为它能够限制或钝化锂金属的反应性。也许通过向电解质中添加多硫化物和硝酸锂，我们可以产生互补作用：多硫化物与锂金属反应，而硝酸锂可以帮助防止锂与多硫化物反应。通过操纵这两个竞争反应，我们应该能够将硫 – 锂反应从缺陷转变为特征。
我们将多硫化锂和硝酸锂以各种浓度添加到电解质中。我们研究了在使用锂金属作为一个电极和不锈钢箔作为另一个的双电极测试电池中对锂电镀和剥离过程的影响。
我们组装了纽扣电池，也称为纽扣电池，类似于为手表，计算器和助听器等小型电子设备供电的纽扣电池，我们在充电过程中施加恒定电流，允许相同的电流在放电期间流动。我们通过给电池充电，在不锈钢上沉积了一点锂; 然后我们在放电时将其剥离，重复多次循环。最后，我们将电池分开并在扫描电子显微镜下检查锂沉积物。
我们看到的是有趣的。没有电解质添加剂，镀锌形成的结构薄，尖锐，纤维状树枝状，一言以蔽之。但是当我们将硝酸锂添加到电解质中时，沉积的锂更厚，更不锋利，并且形状或多或少像面条。硝酸锂具有缓和的枝晶生长，但没有阻止它。
接下来，我们将不同量的多硫化锂和硝酸锂添加到电解质中。在恰当的添加剂平衡下，我们寻求的协同效应得以实现：没有有害的树枝状结构生长。相反，我们得到扁平的薄饼状锂沉积物。即使在数百次充电 – 放电循环之后，镀锂的表面仍然是平坦的，没有任何树枝状结构。
除了引出枝晶外，我们的两种添加剂一起大大提高了库仑效率和循环稳定性。在超过300次充放电循环中，库仑效率优于99%。充电导致电镀仅比放电期间剥离的锂多一点。相比之下，单独使用硝酸锂，仅仅180次循环后，库仑效率就降至92%以下，而单独使用多硫化物时，库仑效率仅为80%左右。
这两种添加剂一起使用，由于它们对SEI层的影响而带来了巨大的改进。为了弄清楚这种效应的确切机制，我们使用了一种称为X射线光电子能谱和传统电子显微镜的技术来推断SEI层的结构和化学成分。在使用一种或另一种添加剂的细胞中，我们发现SEI层被许多裂缝和针孔破坏。然而，当两种添加剂都存在时，我们得到了平坦，均匀的SEI。SEI层的化学分解证实这两种添加剂确实具有竞争效果。
当我们加入硝酸锂和多硫化物时，硝酸锂是第一个与锂金属反应的物质，并且它如预期的那样钝化金属表面，大大减少了金属与多硫化物的反应。来自第一反应的产物主要在SEI的上层形成，并且它有效地抑制了树枝状晶体的形成。
这种用于防止树突生长的技术仍处于早期阶段。在我们考虑商业化之前，我们有待解决的问题。特别困难的是为几种不同类型的锂电池中的每一种找到电解质添加剂的精确配方。
但这一新战略不仅承诺创造更安全，更高能量的锂离子电池，而且还为下一代电池化学品铺平了道路。
随着枝晶被击败，锂金属设计可以存储比现在的电池更多的能量，同时持续消费产品所需的许多充电周期。我们预计，在未来5到10年内，我们的技术将使手机，笔记本电脑，汽车和飞机的安全，超高容量电池商业化。这将成为更积极的可充电电池的头条新闻。