锂枝晶是锂离子电池充电过程中从负极生长出的微小晶体状结构，长期以来被视为影响电池安全与可靠性的关键难题。前莱斯大学研究科学家、发表于《科学》的一项研究第一作者艾青表示，枝晶可能穿透电池隔膜，引发短路并带来安全隐患。该研究首次对锂枝晶在电池内部的行为进行了更为细致的报告，并补充了其纳米尺度力学性质方面的直接证据。

研究团队指出，材料在纳米尺度下的性质往往与块体材料不同。锂枝晶直径仅数百纳米，比人类头发丝细百倍以上，研究人员此前怀疑其力学表现可能不同于块体锂（块体锂通常被认为柔软且具延展性）。但由于样本获取与实验条件限制，锂枝晶在电池原生化学环境中的真实力学性质长期缺乏直接测量数据。

莱斯大学材料科学与纳米工程Karl F. Hasselmann教授、共同通讯作者娄军表示，研究通过直接探测从真实电池中提取的单个枝晶机械强度，填补了关键知识空白。为测试锂枝晶的机械响应，莱斯大学与佐治亚理工学院、休斯顿大学及新加坡高性能计算研究所的合作者在保护环境中开展实验，并借助高分辨率电子显微镜实时观察单个枝晶在受控应力下的变形过程。

莱斯大学博士校友、共同第一作者张博宇称，实验难点在于锂的高活泼性，即便暴露于微量空气也可能改变其化学性质和结构。为实现定量研究，团队开发了定制的样品制备与机械表征平台。负责纳米力学测试的共同通讯作者郭华表示，研究人员还开发了密闭转移箱，将扫描电子显微镜内的纳米压痕仪置于可控环境中，并获得莱斯大学共享设备管理局（SEA）的支持。借助无空气腔室与精确的纳米力学探针，团队得以对这些脆弱结构进行单个、直接测量。

研究结果显示，与普遍假设不同，锂枝晶在机械应力下表现出意外的高强度与脆性行为。娄军表示，锂枝晶呈现为刚性的微观结构，形态类似纳米级针状或须状物。研究还观察到，枝晶在电池单元内形成时会被一层极薄的固态电解质界面包裹；该包裹层增强了结构刚性，被认为可解释枝晶为何能够穿透隔膜，甚至穿透坚硬的固态电解质。与此同时，这一包裹层会抑制枝晶锂核的塑性变形，使其在应力作用下更易断裂，并形成孤立的“死锂”碎片。

休斯顿大学姚岩教授团队在研究中通过原位扫描电子显微镜成像，观察了固态电池运行过程中锂枝晶的脆性断裂。电气与计算机工程系教授、共同通讯作者姚岩表示，通过实时观察电池运行时枝晶断裂，研究确认无论枝晶在液态还是固态电解质系统中生长，其脆性特性均持续存在。

新泽西理工学院助理教授、共同第一作者刘星表示，这项工作为部分保护层未能阻止锂枝晶生长提供了潜在解释，并提出了可供研究界参考的力学框架，以支持开发更有效的策略，提升高能量储存系统的安全性与可靠性，应用场景包括电动汽车与可再生能源电网储能系统。