纳米科学：新的X射线显微镜技术揭示了可充电电池的纳米级秘密！

对于工程师来说，更快充电并且持续很长时间得更好的电池是一个黄铜环。但是，尽管经过数十年的研究和创新，对电池如何在最小规模上工作的基本理解仍然是难以捉摸的。

在本周发表在“科学”杂志上的一篇论文中，由斯坦福大学材料科学与工程学助理教授William Chueh和能源部SLAC国家加速器实验室的一名教师科学家领导的团队设计了一种从不同行的方法。在进入电化学反应之前，燃料是当今使用的最常见的可充电电池：锂离子电池，通过可视化电池的基本组成部分- 通常测量不到人类头发大小的1/100的小颗粒- 团队成员已经阐明了一个比以前想象的复杂得多的过程。他们开发的用于实时观察电池的方法以及他们对电化学的更好理解都可能对电池设计，管理及其他方面产生深远的影响。

“它为我们提供了电池如何工作的基本见解，”该论文的共同主要作者，SLAC斯坦福材料与能源科学研究所的博士后研究员Jongwoo Lim说。“以前，大多数研究调查了整个电池的平均行为。现在，我们可以看到并了解各个电池颗粒的充电和放电情况。

每个锂离子电池的核心是一个简单的化学反应，其中带正电荷的锂离子在电池放电时嵌入晶体电极的晶格状结构中，在此过程中接受带负电的电子。在通过去除电子来逆转反应时，离子被释放并且电池被充电。

这些基本过程- 称为锂化（放电）和脱锂（电荷）- 受到电化学致命跟腱的阻碍。离子很少均匀地插入颗粒表面。相反，某些区域需要更多离子，而其他区域则更少。这些不一致最终会导致机械应力，因为晶格区域会因离子而过载，并产生微小的断裂，降低电池性能并缩短电池寿命。

“石化和脱锂应该是同质的和统一的，”Chiyh实验室的博士候选人，该论文的共同主要作者李益阳说。“但实际上，它们非常不均匀。在我们更好地理解这个过程的过程中，本文提出了一条抑制这种现象的道路。”

对于希望改进电池的研究人员，如Chueh和他的团队，抵消这些有害的力量可能会导致电池充电更快更充分，持续时间比今天的模型长得多。

这项研究实时地显示了充电/放电反应- 科学家称之为操作- 在细节和规模上。该团队在劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源中使用了辉煌的X射线和尖端显微镜。

“这种技术所揭示的现象，我认为在我的一生中永远不会被视觉化。它在电池领域正在改变游戏规则，”麻省理工学院化学工程和数学教授Martin Bazant说道。研究。

Chueh和他的团队使用与智能手机和电动车相同的活性材料制作了透明电池。它是与Hummingbird Scientific合作设计和制造的。它由两个非常薄的透明氮化硅“窗口”组成。由单层磷酸铁锂纳米颗粒制成的电池电极位于两个窗口之间的间隙内的膜上。被称为电解质的含盐流体在间隙中流动以将锂离子输送到纳米颗粒。这是一个非常非常小的电池，比智能手机电池的电量减少了100亿倍，”Chueh说。“但它让我们能够清楚地了解纳米级的情况。

在他们的研究中，研究人员发现充电过程（脱锂）明显不如放电（锂化）。有趣的是，研究人员还发现，更快的充电可以改善均匀性，从而可以实现新的更好的电池设计和电源管理策略。

“改善的均匀性降低了电极上的破坏性机械应力，并提高了电池的循环性，”Chueh说。“除了电池，这项工作可能会对许多其他电化学材料产生深远的影响。”他指出了催化剂，存储设备和所谓的智能玻璃，它们在充电时从半透明过渡到透明。

除了获得的科学知识外，该研究的另一项重大进展是X射线显微镜技术本身，该技术是与伯克利实验室高级光源科学家Young-sang Yu，David Shapiro和Tolek Tyliszczak合作开发的。显微镜位于高级光源中，通过揭示纳米尺度上从未见过的动态，可以全面影响能量研究。

“我们在这里学到的不仅仅是如何制造更好的电池，而是为我们提供了一个关于纳米级电化学反应科学的深刻新窗口，”Bazant说。