導(dǎo)致鋰離子電池失效的原因有很多，其中一個(gè)問題由來已久，即高電流密度下出現(xiàn)的枝晶穿透現(xiàn)象。鋰枝晶是一種樹形結(jié)構(gòu)，形成于電池的鋰鍍層上。它們可以迅速穿過電池的陶瓷隔膜，即電池正極和負(fù)極之間的多孔塑料膜。一旦枝晶穿過隔膜，電池就會短路。枝晶生長取決于電流密度，當(dāng)電流密度高于預(yù)期或設(shè)計(jì)的3個(gè)數(shù)量級時(shí)，電池中會出現(xiàn)枝晶。在之前的研究中，研究人員打開電池，會看到隔膜上的黑點(diǎn)，那就是枝晶穿透隔膜的位置。

重要研究人員YoungjuLee進(jìn)行同樣的研究，分析黑點(diǎn)覆蓋的區(qū)域。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它們占隔膜總面積的0.1%，這意味著對應(yīng)的電流要比預(yù)期值高1000倍。在沒有達(dá)到臨界電流密度的情況下，電池怎么會短路，這是一個(gè)謎題。Bai說：在設(shè)計(jì)電池時(shí)，我們使用電極或隔膜的整個(gè)面積來計(jì)算電流密度。但是，高電流密度是局部發(fā)生的。

研究人員利用一種獨(dú)特的、透明的微管電芯，來觀察鋰金屬生長動態(tài)，通過隔膜孔，重建實(shí)際的金屬刺穿動態(tài)過程。Bai說：我們發(fā)現(xiàn)它比我們想象的更復(fù)雜，它對通道的幾何形狀非常敏感。他們發(fā)現(xiàn)，從本質(zhì)上看，具有收斂截面面積的單一電解液通道，以及有效實(shí)用的隔膜(在金屬生長方向上可能導(dǎo)致穿透孔越來越少)，將加速并加劇這種動態(tài)，導(dǎo)致電池更快短路。Lee說：假如你擁有擴(kuò)張的通道，你可以延遲甚至防止枝晶形成。這就是我們的發(fā)現(xiàn)。

研究人員不僅描述了這種關(guān)系，而且用一個(gè)數(shù)字來表達(dá)。Lee表示：物理量、電流密度和短路時(shí)間非常重要，這個(gè)數(shù)字含義了它們之間的關(guān)系。假如這個(gè)數(shù)字(Sand公式中的指數(shù))小于負(fù)2，那么你就會擁有更安全的鋰離子電池。假如高于負(fù)2，比如-1.5，那就不好了。Bai說：你的電池會很快短路，早于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的時(shí)間。