锂电池为何会失效？长期以来，科学家虽已知晓锂枝晶（dendrites）是罪魁祸首，但对其微观生长机制和力学特性一直知之甚少。近日，发表于《科学》杂志的一项突破性研究首次观测到了电池内部微小的金属“刺”——锂枝晶的生长过程，揭示了其此前未知的机械属性。这项由美国新泽西理工学院、莱斯大学、佐治亚理工学院、休斯顿大学及新加坡南洋理工大学等机构联合完成的研究，通过实验与模拟相结合，首次揭开了锂枝晶结晶过程的奥秘。
锂枝晶是在锂电池负极形成的纳米级金属分支，其宽度仅为人类发丝的百分之一。在电池充放电过程中，这些枝晶若从负极延伸至正极，便会刺穿隔膜导致内部短路，引发电池失效甚至起火。更棘手的是，一旦形成，枝晶极难清除，且会断裂形成“死锂”，导致电池容量随时间逐渐衰减。目前，行业内尚无实用方法能在电池运行中清除这些枝晶，这已成为锂金属电池商业化的最大障碍之一。
为了量化研究这种极其脆弱的结构，研究团队开发了定制化的样品制备与力学表征平台。由于锂金属化学性质活泼，接触微量空气即会发生反应，研究人员构建了气密平台，利用高分辨电子显微镜实时观测枝晶在受控应力下的形变。这一技术突破使得科学家能够直接探测枝晶在真实电池中的力学行为，而无需将其从电池中取出破坏其生长环境。
实验结果颠覆了传统认知。过去业界普遍认为锂枝晶质地柔软、具有延展性，类似橡皮泥。然而，新泽西理工学院刘兴副团队发现，锂枝晶实际上强韧且脆，受力时更像干 spaghetti 一样容易断裂。休斯顿大学姚团队在液态和固态电解质系统中均观察到了枝晶实时断裂的现象，证实了其脆性特征。这种脆性源于枝晶表面包裹的一层固体电解质界面膜（SEI），该涂层使枝晶变得坚硬如针，极易刺穿隔膜，并在应力下断裂成碎片，进一步加剧电池失效。
基于这一发现，研究团队通过跨尺度模拟解释了枝晶为何表现出与预期不同的行为。理解这一物理机制为未来设计更安全的电池提供了新思路，例如通过使用锂合金负极来降低枝晶脆性断裂的风险。对于材料科学和计算力学领域的研究者而言，揭示结构如何变形与破碎，如同谱写高性能储能系统的“交响乐”，而此次发现的强化机制正是其中关键的新音符。
对中国电池产业而言，这一发现提示我们在追求高能量密度的同时，需重新审视负极材料的界面工程与力学设计，通过调控SEI膜性质或引入合金化策略，从源头抑制脆性枝晶生长，这对提升国产动力电池的安全性与循环寿命具有重要的参考价值。