从山洞到电池：钟乳石、石笋启发研究人员打造更持久的电池

众多的日常小工具，如电动汽车、移动电话和无绳电动工具，现在都依赖于可充电电池。然而，这一增长趋势确实带来了某些挑战。例如，出于安全考虑，某些移动电话被禁止在航班上使用，而一些电动汽车据说已经起火。这主要是由于当代商业锂离子电池对机械应力的敏感性。

固态电池在未来可以提供许多优势，包括用于电力驱动的汽车

这些问题的一个新兴解决方案可能是使用"固态电池"。这些电池通过用陶瓷离子导体等完全的固体材料取代液体核心(称为电解质)，与常规电池不同。因此，它们提供了大量的好处，如机械坚固、不可燃、易于小型化和抗温度波动。

但是，固态电池在几次充电和放电循环后显示出它们的问题： 虽然电池的正负极在开始时仍是相互电离的，但它们最终会通过电池内部过程相互电离："锂枝晶"在电池中慢慢生长。在每次充电过程中，这些锂树枝状物一步一步地生长，直到两极连接。其结果是：电池被短路并"死亡"。然而，到目前为止，在这一过程中发生的确切物理过程还没有得到很好的理解。

由汉斯-于尔根-巴特部门的吕迪格-伯格领导的一个团队现在已经解决了这个问题，并使用一种特殊的显微镜方法来更详细地调查这些过程。他们调查了锂枝晶开始生长的位置问题。是否像在石洞中，钟乳石从上方生长，石笋从地上生长，直到它们在中间结合，形成所谓的"石笋"?电池中没有顶部和底部--但枝晶是从负极向正极生长还是从正极向负极生长?或者它们从两极同样生长?还是说电池中有一些特殊的地方导致了树突的成核，然后从那里开始树突生长?

Rüdiger Berger的团队特别研究了陶瓷固体电解质中所谓的"晶界"。这些边界是在固体层的生产过程中形成的： 陶瓷晶体中的原子基本上是非常有规律的排列。然而，由于晶体生长过程中的微小随机波动，在原子排列不规则的地方形成了线状结构--所谓的"晶界"。

这些晶界通过他们的显微镜方法--"开尔文探针力显微镜"--可以看到，在这种方法中，用一个锋利的尖端扫描表面。与Rüdiger Berger合作的博士生Chao Zhu说："如果固态电池被充电，开尔文探针力显微镜看到电子沿着晶界聚集--尤其是在负极附近"。后者表明，晶界不仅改变了陶瓷的原子排列，也改变了其电子结构。

由于电子的积累--即负粒子--在固体电解质中旅行的带正电的锂离子可以被还原成金属锂。其结果是：锂沉积和枝晶的形成。如果重复充电过程，枝晶将继续增长，直到最后电池的两极被连接。只在负极观察到这种树枝状物生长的初始阶段的形成--也只在这一极观察到。在相反的正极没有观察到生长。

科学家们希望，随着对生长过程的精确理解，他们也将能够开发出有效的方法来防止或至少限制负极的生长，以便在未来，更安全的固态锂电池也可以应用。