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院和喬治亞理工學院材料科學與工程學院的助理教授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基金會、斯隆研究基金會和空軍科學研究辦公室支持，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，我們在這里學到的知識可以幫助我們設(shè)計接口。”

喬治亞理工大學的研究小組，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)計用于在先進光子源（位于芝加哥附近的美國能源部科學辦公室阿貢國家實驗室的同步加速器設(shè)施）進行研究。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，需要對測試電池進行特殊設(shè)計。阿貢使用的技術(shù)類似于用于醫(yī)學計算機斷層掃描（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?shù)膲勖?/p>