一位休斯頓大學的工程師發現，鋰樹枝晶在電池內部並不像先前認為的那樣柔軟，而是表現出脆硬的特性，這可能會造成嚴重的損害。這些在充電過程中生長的微小結構，長期以來被認為會引發短路和火災。但由顏耀（Yan Yao）領導的研究團隊現在顯示，樹枝晶在機械強度上相當高，斷裂時的行為更像玻璃而非金屬。這一發現挑戰了電池科學中對鋰金屬具有延展性的數十年假設，並顯示樹枝晶像剛性針狀物一樣，能刺穿電池內部元件。
研究團隊直接觀察了這一行為，捕捉到樹枝晶在運行中的固態電池內形成和斷裂的實時影像，提供了這些結構在運行條件下行為的珍貴視角。數十年來，科學界假設固態電解質能輕易阻擋樹枝晶，因為鋰被認為是一種柔軟的金屬。顏耀指出：「我們已證明它們實際上是脆性的，像玻璃一樣斷裂。」
樹枝晶以微小的晶體結構形成，通常只有幾百納米寬。儘管它們的尺寸微小，但卻能穿透分隔物和電解質，導致內部故障。研究表明，它們的剛性來自於納米級單晶鋰核心，並且在運行過程中形成的表面塗層進一步增強了這一特性。這種組合使樹枝晶在生長過程中保持結構完整性，增加了它們突破電池內部保護屏障的風險。
研究人員使用在線掃描電子顯微鏡拍攝樹枝晶在實時斷裂的過程，這需要一個專門開發的無空氣腔室，能夠在活動電池內部進行觀察而不受干擾。這些發現強調了樹枝晶的形成過程以及它們為何依然危險。鋰樹枝晶可能因為快速充電和低溫等多種原因而發展。儘管只有幾百納米寬，但它們的尺寸卻比人類頭髮小超過100倍。儘管如此，這些結構仍然能引發短路和火災，成為高能量電池中最持久的安全風險之一。
顏耀表示：「我們首次在運行中的固態電池內拍攝到這種情況，顯示出設計下一代電池的策略必須改變。」直接可視化樹枝晶行為的能力為為何固態電池，作為安全替代品，仍面臨可靠性挑戰提供了新的見解。研究結果表明，單單依賴固體電解質可能不足以阻止樹枝晶的穿透。相反，研究人員指出，使用鋰合金陽極等替代方法，可能會減少脆性斷裂的可能性。
了解樹枝晶的機械性能還可以幫助工程師設計更能抵抗穿透的材料。這項研究基於團隊早期關於固態電池隨著時間劣化的工作，這些見解可能有助於提高電動車、消費電子產品及電網應用中能源儲存系統的安全性和使用壽命。該研究的結果已發佈在《科學》雜誌上。