在過(guò)去的三十年中，通過(guò)對(duì)以鋰離子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行循環(huán)充放電的鋰離子電池的升級(jí)研究，從而使得更小的設(shè)備能夠更快地運(yùn)行并顯著的延長(zhǎng)了使用壽命。

現(xiàn)如今，來(lái)自美國(guó)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射線實(shí)驗(yàn)表明，鋰離子運(yùn)行的理論要比想象復(fù)雜得多。通過(guò)糾正對(duì)材料的固有假設(shè)，將有助于我們改善電池設(shè)計(jì)，進(jìn)而產(chǎn)生新一代鋰離子電池。

由SLAC斯坦福材料與能源科學(xué)研究所的WilliamChueh教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)今天在NatureMaterials上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

麻省理工學(xué)院教授，該研究的另一位負(fù)責(zé)人MartinBazant說(shuō)：“以前，對(duì)于他們的研究有點(diǎn)像盲人摸象，你可以看到材料效果很好，某些添加劑似乎也有所幫助，但你無(wú)法確切知道鋰離子在這個(gè)過(guò)程的位置。你只能嘗試開(kāi)發(fā)一種理論并從測(cè)量中反向應(yīng)用。憑借新的儀器和測(cè)量技術(shù)，我們開(kāi)始對(duì)這些事物的實(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)公交車或者使用其他電動(dòng)工具的人都可以從他們的這項(xiàng)研究中獲得好處。它可用于帶內(nèi)燃機(jī)的汽車的啟停裝置，以及電網(wǎng)中風(fēng)能和太陽(yáng)能的存儲(chǔ)應(yīng)用。更好地了解這種材料和其他類似材料可以帶來(lái)更快速充電、更持久和更耐用的電池。

當(dāng)鋰離子電池進(jìn)行充放電時(shí)，鋰離子從液體溶液中流入固體儲(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。這就會(huì)導(dǎo)致Chueh教授所說(shuō)的“爆米花效應(yīng)”。離子聚集成熱點(diǎn)，最終會(huì)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(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，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(lái)放大過(guò)程，使他們能夠繪制鋰離子濃度隨時(shí)間變化的情況。

向上游進(jìn)發(fā)

之前，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)，研究人員注意到鋰離子在材料表面上的移動(dòng)方向完全不同于以前的模型。就好像有人向溪流表面上扔了一片葉子，發(fā)現(xiàn)水流動(dòng)的方向與鮭魚(yú)游泳的方向完全不同。

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)模型進(jìn)行系統(tǒng)模擬。這些研究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，這將會(huì)促使爆米花般的行為失敗，如果鋰離子可以在材料表面上移動(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。”Chueh教授說(shuō)道。

電池工程的新領(lǐng)域

盡管過(guò)去二十年來(lái)對(duì)磷酸鐵鋰的研究一直存在，但直到幾年前我們才能在納米級(jí)和電池運(yùn)行期間研究它。

“這解釋了這種材料的重要特性是如何被長(zhǎng)期忽視的，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，這些材料會(huì)讓你對(duì)它們的看法有所不同。”李益陽(yáng)(音)說(shuō)到，他曾在斯坦福大學(xué)和SLAC做研究生和博士后實(shí)驗(yàn)工作。

李益陽(yáng)(音)說(shuō)到：“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并開(kāi)發(fā)了一些最好的散裝材料，同時(shí)，我們也看到鋰離子電池技術(shù)仍在以非常顯著的速度發(fā)展：它們變得越來(lái)越好。我們正在建立一個(gè)重要的知識(shí)基礎(chǔ)，可以把這項(xiàng)基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知添加到電池工程師的工具包中，這樣更有利于他們開(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，了解更多不同長(zhǎng)度和時(shí)間尺度的電池性能的基本問(wèn)題。他們使用的LCLS，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教授說(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。關(guān)鍵過(guò)程可能會(huì)在瞬間也可能在多年內(nèi)發(fā)生。研究的路徑是需要將這些過(guò)程映射到原子運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度。在SLAC，我們正在研究所有的電池材料，我們確信通過(guò)將建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，最終能幫助我們理解更多的電池運(yùn)行方面的基礎(chǔ)知識(shí)。”