在過去的三十年中，鋰離子電池，可充電電池可以來回移動(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國家加速器實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的X射線實(shí)驗(yàn)表明，鋰離子通過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：“以前，它有點(diǎn)像黑盒子。”“你可以看到材料效果很好，某些添加劑似乎有所幫助，但你無法確切知道鋰離子在過程的每個(gè)步驟中的位置。你只能嘗試開發(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。“

'爆米花效應(yīng)'

任何乘坐電動(dòng)公交車，使用電動(dòng)工具或使用無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)的汽車的啟停功能，以及電網(wǎng)中風(fēng)能和太陽能的存儲(chǔ)。更好地了解這種材料和其他類似材料可以帶來更快速充電，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射線技術(shù)來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，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射線顯微鏡來放大過程，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大部分材料向一個(gè)方向傳播，就像鮭魚游向上游一樣。

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)的方向與游泳鮭魚完全不同。

他們與英國巴斯大學(xué)化學(xué)教授SaifulIslam合作開發(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)材料來說是有問題的，促使爆米花般的行為導(dǎo)致其失敗，”Chueh說。“如果鋰可以在表面上移動(dòng)得更慢，那么它將使電池更均勻。這是開發(fā)更高性能和更持久電池的關(guān)鍵。”

電池工程的新領(lǐng)域

盡管過去二十年來磷酸鐵鋰已經(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，”李益陽說，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。”

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)來設(shè)計(jì)和解釋高級(jí)實(shí)驗(yàn)。

Bazant說，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。“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并開發(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，嘗試通過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)一萬億分之一秒。

Chueh說：“開發(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。”“關(guān)鍵過程可能會(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)合起來的確是使這種理解成為可能的原因。“

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。