在過(guò)去的三十年中，鋰離子電池，可充電電池可以來(lái)回移動(dòng)鋰離子進(jìn)行充電和放電，從而使更小的設(shè)備能夠更快地加速并延長(zhǎng)使用壽命。

現(xiàn)在，能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的X射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)表明，鋰離子通過(guò)普通電池材料的路徑比以前認(rèn)為的要復(fù)雜得多。結(jié)果糾正了材料的二十多年的假設(shè)，并將有助于改善電池設(shè)計(jì)，可能導(dǎo)致新一代鋰離子電池。

由SLAC斯坦福材料與能源科學(xué)研究所的教授科學(xué)家WilliamChueh和斯坦福材料科學(xué)教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)今天在NatureMaterials上發(fā)表了這些研究結(jié)果。

麻省理工學(xué)院教授，??該研究的另一位領(lǐng)導(dǎo)人MartinBazant說(shuō)：“以前，它有點(diǎn)像黑盒子?！薄澳憧梢钥吹讲牧闲Ч芎茫承┨砑觿┧坪跤兴鶐椭?，但你無(wú)法確切知道鋰離子在過(guò)程的每個(gè)步驟中的位置。你只能?chē)L試開(kāi)發(fā)一種理論并從測(cè)量中反向工作。憑借新的儀器和測(cè)量技術(shù)，我們開(kāi)始對(duì)這些事情的實(shí)際運(yùn)作方式進(jìn)行更嚴(yán)格的科學(xué)理解?！?br/>
'爆米花效應(yīng)'

任何乘坐電動(dòng)公交車(chē)，使用電動(dòng)工具或使用無(wú)繩真空吸塵器的人都可能獲得他們研究的電池材料磷酸鐵鋰的好處。它還可用于帶內(nèi)燃機(jī)的汽車(chē)的啟停功能，以及電網(wǎng)中風(fēng)能和太陽(yáng)能的存儲(chǔ)。更好地了解這種材料和其他類(lèi)似材料可以帶來(lái)更快速充電，更持久和更耐用的電池。但直到最近，研究人員才能猜測(cè)允許其發(fā)揮作用的機(jī)制。

當(dāng)鋰離子電池充電和放電時(shí)，鋰離子從液體溶液流入固體儲(chǔ)存器。但是一旦進(jìn)入固體，鋰就會(huì)重新排列，有時(shí)會(huì)使材料分裂成兩個(gè)不同的階段，就像混合在一起時(shí)油和水分離一樣。這導(dǎo)致Chueh所說(shuō)的“爆米花效應(yīng)”。離子聚集成熱點(diǎn)，最終縮短電池壽命。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用兩種X射線(xiàn)技術(shù)來(lái)探索鋰離子電池的內(nèi)部工作原理。在SLAC的斯坦福同步輻射光源（SSRL）上，他們從磷酸鐵鋰樣品中反射X射線(xiàn)，以顯示其原子和電子結(jié)構(gòu)，讓他們了解鋰離子在材料中的移動(dòng)方式。在伯克利實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源（ALS）中，他們使用X射線(xiàn)顯微鏡來(lái)放大過(guò)程，使他們能夠繪制鋰濃度隨時(shí)間變化的情況。

上游游泳

以前，研究人員認(rèn)為磷酸鐵鋰是一維導(dǎo)體，這意味著鋰離子只能通過(guò)大部分材料向一個(gè)方向傳播，就像鮭魚(yú)游向上游一樣。

但是在篩選他們的數(shù)據(jù)時(shí)，研究人員注意到鋰在材料表面上的移動(dòng)方向完全不同于以前的模型。就好像有人在溪流表面上扔了一片葉子，發(fā)現(xiàn)水流動(dòng)的方向與游泳鮭魚(yú)完全不同。

他們與英國(guó)巴斯大學(xué)化學(xué)教授SaifulIslam合作開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)模型和系統(tǒng)模擬。這些揭示了鋰離子在材料表面上沿另外兩個(gè)方向移動(dòng)，使得磷酸鐵鋰成為三維導(dǎo)體。

“事實(shí)證明，這些額外的途徑對(duì)材料來(lái)說(shuō)是有問(wèn)題的，促使爆米花般的行為導(dǎo)致其失敗，”Chueh說(shuō)?！叭绻嚳梢栽诒砻嫔弦苿?dòng)得更慢，那么它將使電池更均勻。這是開(kāi)發(fā)更高性能和更持久電池的關(guān)鍵?！?br/>
電池工程的新領(lǐng)域

盡管過(guò)去二十年來(lái)磷酸鐵鋰已經(jīng)存在，但直到幾年前才能在納米級(jí)和電池運(yùn)行期間研究它。

“這解釋了這種材料的這種重要特性如何長(zhǎng)期被忽視，”李益陽(yáng)說(shuō)，他曾在斯坦福大學(xué)和SLAC擔(dān)任研究生和博士后實(shí)驗(yàn)工作。“隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，人們總會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的有趣的材料，這些材料讓你對(duì)它們的看法有所不同?！?br/>
這項(xiàng)工作是Bazant，Chueh和其他幾位科學(xué)家合作的第一篇論文之一，作為豐田研究院資助的研究中心的一部分，該研究中心利用理論和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)設(shè)計(jì)和解釋高級(jí)實(shí)驗(yàn)。

Bazant說(shuō)，這些最新發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了一個(gè)更復(fù)雜的故事，理論家和工程師將來(lái)必須考慮這些故事。

“它進(jìn)一步證明了設(shè)計(jì)鋰離子電池表面真正是新領(lǐng)域的論點(diǎn)，”他說(shuō)?！拔覀円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)并開(kāi)發(fā)了一些最好的散裝材料。我們已經(jīng)看到鋰離子電池仍在以非常顯著的速度發(fā)展：它們不斷變得越來(lái)越好。這項(xiàng)研究正在推動(dòng)一個(gè)嘗試的穩(wěn)步推進(jìn)實(shí)際工作的技術(shù)。我們正在建立一個(gè)重要的知識(shí)基礎(chǔ)，可以添加到電池工程師的工具包中，因?yàn)樗麄冊(cè)噲D開(kāi)發(fā)更好的材料。“

跨越不同的尺度

為了跟進(jìn)這項(xiàng)研究，研究人員將繼續(xù)將建模，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，嘗試通過(guò)SLAC的Linac相干光源或LCLS等設(shè)施，了解許多不同長(zhǎng)度和時(shí)間尺度的電池性能基本問(wèn)題。能夠探測(cè)在時(shí)間尺度上發(fā)生的單個(gè)離子躍變，其速度可達(dá)一萬(wàn)億分之一秒。

Chueh說(shuō)：“開(kāi)發(fā)鋰離子電池技術(shù)的障礙之一是涉及的長(zhǎng)度和時(shí)間范圍都很大?！薄瓣P(guān)鍵過(guò)程可能會(huì)在瞬間或多年內(nèi)發(fā)生。前進(jìn)的路徑需要將這些過(guò)程映射到從米一直到原子運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度。在SLAC，我們正在研究所有這些的電池材料將這種與建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)的確是使這種理解成為可能的原因?！?br/>
除了SLAC，斯坦福大學(xué)，伯克利實(shí)驗(yàn)室，麻省理工學(xué)院和巴斯大學(xué)之外，合作還包括斯洛文尼亞國(guó)家化學(xué)研究所和盧布爾雅那大學(xué)的研究人員。

LCLS，SSRL和ALS是DOE科學(xué)辦公室的用戶(hù)設(shè)施。這項(xiàng)工作的理論方面得到了豐田研究所和其他資助機(jī)構(gòu)的支持。