一個研究小組利用X射線斷層成像技術(shù)，觀察了固態(tài)鋰電池在充放電過程中材料的內(nèi)部演變。研究中獲得的詳細(xì)三維信息有助于提高電池的可靠性和性能，這種電池使用固體材料取代現(xiàn)有鋰離子電池中的易燃液體電解質(zhì)。

同步輻射X射線計算機顯微層析成像揭示了鋰/固體電解質(zhì)界面電極材料的動態(tài)變化如何決定固態(tài)電池的行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，電池運行會導(dǎo)致界面上形成空洞，從而造成接觸損失，這是導(dǎo)致電池失效的主要原因。

喬治伍德拉夫機械工程學(xué)院和喬治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授MatthewMcDowell說：“這項工作提供了對電池內(nèi)部情況的基本了解，這些信息對于指導(dǎo)工程工作非常重要，這些工程工作將在未來幾年推動這些電池更接近商業(yè)現(xiàn)實。我們能夠準(zhǔn)確地了解界面上空洞的形成方式和位置，然后將其與電池性能聯(lián)系起來。”

這項研究由國家科學(xué)基金會、斯隆研究基金會和空軍科學(xué)研究辦公室支持，將于1月28日發(fā)表在《自然材料》雜志上。

鋰離子電池現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于從移動電子到電動汽車的各個領(lǐng)域，在充放電循環(huán)中，鋰離子電池依靠液體電解質(zhì)在電池的電極之間來回攜帶離子。液體均勻地覆蓋在電極上，允許離子自由移動。

快速發(fā)展的固態(tài)電池技術(shù)取而代之的是使用固體電解質(zhì)，這將有助于提高能量密度，提高未來電池的安全性。但是從電極上移除鋰會在界面上產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致可靠性問題，從而限制電池的工作時間。

用X射線斷層掃描重建電池內(nèi)鋰/固體電解質(zhì)界面的三維視圖

麥克道爾說：“為了解決這個問題，你可以想象通過不同的沉積過程來創(chuàng)造結(jié)構(gòu)化的界面，試圖在循環(huán)過程中保持接觸。仔細(xì)控制和設(shè)計這些接口結(jié)構(gòu)對未來固態(tài)電池的發(fā)展將非常重要，我們在這里學(xué)到的知識可以幫助我們設(shè)計接口。”

喬治亞理工大學(xué)的研究小組，由第一作者和研究生杰克·劉易斯領(lǐng)導(dǎo)，建造了寬約兩毫米的特殊測試單元，設(shè)計用于在先進(jìn)光子源（位于芝加哥附近的美國能源部科學(xué)辦公室阿貢國家實驗室的同步加速器設(shè)施）進(jìn)行研究。研究小組的四名成員在為期五天的強化實驗中研究了電池結(jié)構(gòu)的變化。

麥克道爾說：“該儀器從不同方向拍攝圖像，然后用計算機算法重建圖像，以提供電池隨時間推移的三維圖像。我們在給電池充電和放電的時候做了這個成像，以觀察電池工作時電池內(nèi)部的變化。”

因為鋰很輕，用X射線成像很有挑戰(zhàn)性，需要對測試電池進(jìn)行特殊設(shè)計。阿貢使用的技術(shù)類似于用于醫(yī)學(xué)計算機斷層掃描（CT）的技術(shù)。“我們不是給人成像，而是給電池成像。”

由于測試的局限性，研究人員只能通過一次循環(huán)觀察電池的結(jié)構(gòu)。在未來的工作中，麥克道爾希望看到在額外的循環(huán)中會發(fā)生什么，以及結(jié)構(gòu)是否以某種方式適應(yīng)空洞的產(chǎn)生和填充。研究人員認(rèn)為，這一結(jié)果可能適用于其他電解液配方，而且這種表征技術(shù)可以用來獲取有關(guān)其他電池工藝的信息。

電動汽車的電池組在預(yù)計150000英里的使用壽命內(nèi)必須至少能承受1000次循環(huán)。雖然帶有鋰金屬電極的固態(tài)電池可以為特定尺寸的電池提供更多的能量，但這一優(yōu)勢無法克服現(xiàn)有技術(shù)，除非它們能夠提供相當(dāng)?shù)膲勖?/p>