鋰電池廣泛應(yīng)用于從電動(dòng)汽車(chē)到筆記本電腦的各種電池，但在原子尺度上還不是很清楚。為了了解納米尺度上發(fā)生了什么，美國(guó)能源部能源儲(chǔ)存研究聯(lián)合中心（JCESR）的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)施了一種小型設(shè)備，稱為操作電化學(xué)階段。

在現(xiàn)有技術(shù)的像差校正透射電子顯微鏡內(nèi)使用該階段，當(dāng)電池運(yùn)行時(shí)，鋰離子沉積在電極上或從電極溶解時(shí)，可以拍攝納米級(jí)分辨率的鋰離子圖像，在新階段，科學(xué)家可以直接對(duì)變化進(jìn)行成像。新圖像可以精確測(cè)量和描述電池內(nèi)部發(fā)生的情況。此信息對(duì)于控制性能和安全限制過(guò)程至關(guān)重要。現(xiàn)在，科學(xué)家們可以快速可視化并測(cè)試新的電極和電解質(zhì)配對(duì)（參見(jiàn)電池101）。新階段將有助于快速分選更持久，更安全的電池選項(xiàng)。

超越目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池一直很困難。在鋰-空氣和其他設(shè)計(jì)中，電極-電解質(zhì)界面處的相互作用影響電池的性能和安全性。為了解這些反應(yīng)，作為JCESR的一部分，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家創(chuàng)造了一個(gè)操作電化學(xué)階段。在像差校正掃描透射電子顯微鏡中使用它，科學(xué)家現(xiàn)在可以在電池操作期間化學(xué)成像鉑陽(yáng)極和電解質(zhì)之間的界面，成像方法突出了固體鋰金屬，從構(gòu)成保護(hù)性固體電解質(zhì)中間相層的組分中唯一地識(shí)別它。利用這些圖像和標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們可以在納米尺度上量化每次充電/放電循環(huán)后不可逆沉積的鋰量。這意味著他們可以看到枝晶-微觀荊棘，它們會(huì)導(dǎo)致電池失效-形成時(shí)。

該技術(shù)還顯示了固體電解質(zhì)中間相層的生長(zhǎng)，其包裹并保護(hù)陽(yáng)極。由于電解質(zhì)分解而形成該層。在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)電池循環(huán)會(huì)導(dǎo)致鋰層在層下生長(zhǎng)-樹(shù)枝狀晶體的起源對(duì)電池安全性和性能有影響，這種新的成像工具為快速可視化和測(cè)試新電池系統(tǒng)的電極/電解質(zhì)配對(duì)提供了可能性。這些系統(tǒng)可以讓電動(dòng)汽車(chē)在兩次充電之間行駛很遠(yuǎn)。此外，有一天，這樣的系統(tǒng)可以存儲(chǔ)來(lái)自風(fēng)能和太陽(yáng)能站的能量，從而在需要時(shí)提供間歇能量，目前使用的大多數(shù)可充電電池都是鋰離子電池，它有兩個(gè)電極：一個(gè)帶正電并含鋰，另一個(gè)帶負(fù)極，通常由石墨制成。當(dāng)電子流過(guò)連接兩者的電線時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流。為了控制電子，帶正電的鋰原子通過(guò)另一條路徑從一個(gè)電極移動(dòng)到另一個(gè)電極：電極所在的電解質(zhì)溶液。但是石墨具有低能量存儲(chǔ)容量，限制了鋰離子電池可以為智能電話和電動(dòng)汽車(chē)提供的能量。

當(dāng)鋰基可充電電池于20世紀(jì)70年代首次開(kāi)發(fā)時(shí)，研究人員將鋰用作負(fù)極，也稱為負(fù)極。之所以選擇鋰，是因?yàn)樗膬?chǔ)能容量是石墨的十倍。問(wèn)題是，載鋰電解質(zhì)與鋰陽(yáng)極反應(yīng)。這導(dǎo)致微觀鋰枝晶生長(zhǎng)并導(dǎo)致早期電池失效。

多年來(lái)，許多人已經(jīng)調(diào)整了可充電電池以試圖解決樹(shù)突問(wèn)題。在20世紀(jì)90年代早期，研究人員轉(zhuǎn)向其他材料，如石墨作為陽(yáng)極。最近，科學(xué)家們還為陽(yáng)極涂上了保護(hù)層，而其他人則制造了電解質(zhì)添加劑。一些解決方案消除了枝晶，但也導(dǎo)致不使用的電池功率很小。其他方法只是減緩，但并未停止，纖維的增長(zhǎng)。