研究人员已经在理论上证明了如何控制或消除导致锂离子电池失效的“枝晶”的形成，这一进步如果能够提高安全性并且可以在几分钟而不是几小时内使电池充电。

树枝状晶体是在电极表面上形成的锂沉积物，并且可以继续生长直到它们引起内部短路，这导致电池故障和可能的火灾。

研究人员创造了一种分析理论，展示了如何设计实验来研究控制枝晶生长的方法，该理论的结果使研究人员能够预测枝晶形成的早期阶段。

普渡大学材料工程副教授R.EdwinGarcía说：“我们相信这项工作是第一次，因为在它出版之前，这个领域的工作很大程度上依赖于轶事证据。” “虽然我们已将这一理论应用于锂离子电池，但它的配方使其可以很容易地应用于其他新兴的电池化学品，如镁离子和锂硫。”

2月份在电化学学会杂志上发表的一篇研究论文中详细介绍了研究结果。该论文由博士后研究员David Ely和García撰写，其工作由丰田汽车工程与制造北美公司资助。

树枝状结构是锂电池，在电池充电时像肿瘤一样生长。他们中的一些人添加了一层，当切成两半时，会显示出像树环一样的内部结构，每层都代表一次充电。由于它们在暴露于快速充电所需的高电压时生长得更快，因此枝晶限制了充电速度。

“你希望你的电池在10分钟左右的时间内尽快充电，”加西亚说。“如果我们能够更好地控制或消除枝晶生长，这将是可能的。”

电池有两个电极，称为阳极和阴极，由绝缘聚合物隔开，使电极不接触。当电池再充电时，锂离子通过称为电解质的液体或凝胶从阴极穿梭到阳极，树枝状晶体从中吸取材料以积聚在阳极表面上。树枝状晶体可以生长得足够大以穿透分离屏障并接触阴极。

“这些接触的那一刻，电池已经死了，”加西亚说。“或者更糟糕的是，如果你在电池充电时有太多的电流通过树突，电池就会着火。”

研究人员使用他们的分析模型来识别与树突形成相关的行为，并提出了抑制或控制树突的方法。

一种解决方案可能是设计阳极的表面化学性质以抑制锂在表面上的成珠，使其润湿表面而不是成核为枝晶。

另一种可能的方法是诱导锂沉积物均匀生长，而不是非均相生长。异质生长意味着树突在电极表面上的不同位置处不均匀地发芽。一些地层生长在针状尖刺中，迅速突破阴极的屏障。快速充电需要高电压，但异质枝晶形成限制了这种快速充电。具有均匀尺寸的均匀分布的锂沉积物可以通过允许更高的电压来实现快速充电。

另一种方法可能是使用快速电脉冲而不是恒定电流为电池充电。

“我们已经开发出一种分析理论，可以确定锂离子电池在充电过程中失效的不同方式，”加西亚说。“从根本上说，我们提出了一个通用的路线图，允许实验者和理论家在电池充电过程中探索不同的行为方式。提出的分析路线图使研究人员能够确定完全抑制或至少最小化锂枝晶形成的充电条件。”

调查结果显示了如何防止枝晶生长超出其“临界动力学半径”，即根据施加的电流量，它会缩小或继续增长的大小。

劳伦斯伯克利国家实验室的研究员斯蒂芬·J·哈里斯(Stephen J. Harris)记录了普渡大学研究人员为其模拟研究的电影中的枝晶生长。

普渡大学的研究人员发现，较小的枝晶可以将它们的质量转移到较大的枝晶上，从而使较大的枝晶生长得更快，更稳定。该工作根据科学文献中的可用实验数据进行了验证。

“我们还统一了现有理论的冲突，因为他们在20世纪90年代和21世纪初被报道过，”加西亚说。

这项工作正在进行中，未来的研究可能旨在了解有关树突行为的更多细节。

“树枝状结构并不是随处可见，而是在阳极上非常特定的位置，”加西亚说。“在一天结束时，我们想要对其进行建模。这种全面的模型将导致先进的电池设计，提高性能和可靠性。