鋰電池廣泛應用于從電動汽車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，美國能源部能源儲存研究聯(lián)合中心（JCESR）的科學家們設計并實施了一種小型設備，稱為操作電化學階段。

在現(xiàn)有技術的像差校正透射電子顯微鏡內使用該階段，當電池運行時，鋰離子沉積在電極上或從電極溶解時，可以拍攝納米級分辨率的鋰離子圖像，在新階段，科學家可以直接對變化進行成像。新圖像可以精確測量和描述電池內部發(fā)生的情況。此信息對于控制性能和安全限制過程至關重要?，F(xiàn)在，科學家們可以快速可視化并測試新的電極和電解質配對（參見電池101）。新階段將有助于快速分選更持久，更安全的電池選項。

超越目前的行業(yè)標準鋰離子電池一直很困難。在鋰-空氣和其他設計中，電極-電解質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，作為JCESR的一部分，太平洋西北國家實驗室的科學家創(chuàng)造了一個操作電化學階段。在像差校正掃描透射電子顯微鏡中使用它，科學家現(xiàn)在可以在電池操作期間化學成像鉑陽極和電解質之間的界面，成像方法突出了固體鋰金屬，從構成保護性固體電解質中間相層的組分中唯一地識別它。利用這些圖像和標準電化學數據，科學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，它們會導致電池失效-形成時。

該技術還顯示了固體電解質中間相層的生長，其包裹并保護陽極。由于電解質分解而形成該層。在他們的研究中，該團隊發(fā)現(xiàn)延長電池循環(huán)會導致鋰層在層下生長-樹枝狀晶體的起源對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試新電池系統(tǒng)的電極/電解質配對提供了可能性。這些系統(tǒng)可以讓電動汽車在兩次充電之間行駛很遠。此外，有一天，這樣的系統(tǒng)可以存儲來自風能和太陽能站的能量，從而在需要時提供間歇能量，目前使用的大多數可充電電池都是鋰離子電池，它有兩個電極：一個帶正電并含鋰，另一個帶負極，通常由石墨制成。當電子流過連接兩者的電線時會產生電流。為了控制電子，帶正電的鋰原子通過另一條路徑從一個電極移動到另一個電極：電極所在的電解質溶液。但是石墨具有低能量存儲容量，限制了鋰離子電池可以為智能電話和電動汽車提供的能量。

當鋰基可充電電池于20世紀70年代首次開發(fā)時，研究人員將鋰用作負極，也稱為負極。之所以選擇鋰，是因為它的儲能容量是石墨的十倍。問題是，載鋰電解質與鋰陽極反應。這導致微觀鋰枝晶生長并導致早期電池失效。

多年來，許多人已經調整了可充電電池以試圖解決樹突問題。在20世紀90年代早期，研究人員轉向其他材料，如石墨作為陽極。最近，科學家們還為陽極涂上了保護層，而其他人則制造了電解質添加劑。一些解決方案消除了枝晶，但也導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。