幾乎每個人都忍受了手機沒電才能獲得充電的挫敗感，盡管電動汽車越來越普及，但在電池電量耗盡之前可以行駛多遠仍受到限制。確實，電池的能量密度(在給定的質量或體積中包裝多少能量)已成為消費電子，電動汽車和可再生能源的主要挑戰。

加州理工學院的新進展可能會大大改善事情。朱莉婭·格里爾(JuliaR.Greer)實驗室的研究人員發現了一種可能導致鋰離子電池更安全，功能更強大的發現。他們的發現為最常見的可充電電池之一鋰離子電池安全地容納多達50%的能量提供了指導。

常規的鋰離子電池使用石墨構成陽極，即電流進入電池單元的電極。石墨自30年來一直是該任務的首選材料，因為它重量輕，穩定，價格合理，并且可以承受無數次電池循環的考驗。Greer，加州理工學院的RubenF.和DonnaMettler的材料科學，力學和醫學工程教授以及Kavli納米科學研究所的FletcherJones基金會理事說，如果只能克服一些技術挑戰，那就可以找到更好的材料。

她說：“使用鋰而不是石墨陽極的電池，每個需要功率的應用都會受益，因為它們可以提供更多的功率，”她說。“鋰是輕質的，它不占用太多空間，而且能量密度極大。”

但是這里是鋰金屬的問題：當電池經過許多次充放電循環時，鋰自然形成樹枝狀晶體，這些晶體形成一種分支狀的樹狀結構。在電池充電過程中，樹枝狀晶體在鋰金屬電池中無法控制地生長，并且可以像細線一樣作用，當它們穿透系統時會短路并殺死電池。

格雷爾說，研究人員長期以來一直在尋找防止這種增長的新方法。一種可能的方法是將某些物體物理地壓在鋰金屬上以抑制枝晶。盡管典型的鋰離子電池具有液態電解質(將兩個電池電極分開并通過鋰??離子移動的物質)，但是使用固態電解質的電池理論上可以施加足夠的機械壓力來阻止枝晶。

然而，在對具有固體電解質的電池進行研究之后，樹枝狀晶體仍在生長。

格雷爾懷疑固態電解質的強度不足以抵抗樹枝狀晶體的生長，因為研究人員低估了尺寸為納米級的樹枝狀晶體的強度。他們低估了它，因為宏觀鋰是一種相對軟的金屬，可與鉛和錫媲美。她說，小規模的金屬強度可能比大規模的金屬高100倍。

格雷爾說：“如果您想到的是珠寶，例如金或銅，它的延展性很強。您可以用自己的雙手輕松地使其變形。”他專門研究納米材料的機械性能。“但是，當減小相同金屬的尺寸時，強度可以提高一個數量級以上。”

2015年，Greer和她的同事們雕刻了微小的鋰柱，并測試了它們的彈性，發現它們至少比人們想象的要強一個數量級。格雷爾說，實驗設置并未完全反映出鋰枝晶在真實電池中的表現方式。為了更準確地模擬這一點，她和她的合作者，包括格里爾實驗室的校友邁克爾·奇特林(MichaelCitrin)和博士后學者衡陽(HengYang)，以及FrontEdgeTechnology的西蒙·尼爾(SimonNieh)，制造了一種電池，該電池設計用于生產與純鋰枝晶非常相似的電池。在電池中形成。研究人員發現，這些樹枝狀晶體的強度是散裝鋰的24倍。

有了這些信息，研究人員現在對使鋰陽極電池工作所需的條件有了更好的了解。格里爾說，這代表了一項重大的研究挑戰，因為聚合物和陶瓷(通常用于固體電解質的材料)都有缺點。大多數聚合物太軟，無法承受樹枝狀晶體的生長，而陶瓷則容易在樹枝狀晶體施加的壓力下破裂。

有了這些新發現，科學家便有了一個起點。她說：“這與電池研究息息相關，是基礎研究與技術進步息息相關的真實體現。”

這項研究在《MRS公報》上的一篇論文中進行了描述，該論文的標題為“從離子到原子再到樹突：電沉積鋰的形成和納米力學行為”。