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

現(xiàn)如今，來自美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的X射線實(shí)驗表明，鋰離子運(yùn)行的理論要比想象復(fù)雜得多。通過糾正對材料的固有假設(shè)，將有助于我們改善電池設(shè)計，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)的一個國際研究團(tuán)隊今天在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：“以前，對于他們的研究有點(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，但你無法確切知道鋰離子在這個過程的位置。你只能嘗試開發(fā)一種理論并從測量中反向應(yīng)用。憑借新的儀器和測量技術(shù)，我們開始對這些事物的實(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)'

任何乘坐電動公交車或者使用其他電動工具的人都可以從他們的這項研究中獲得好處。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)能和太陽能的存儲應(yīng)用。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。

當(dāng)鋰離子電池進(jìn)行充放電時，鋰離子從液體溶液中流入固體儲存器。但是一旦進(jìn)入固體，鋰就會重新排列，有時會使材料分裂成兩個不同的階段，就像混合在一起時油和水分離一樣。這就會導(dǎo)致Chueh教授所說的“爆米花效應(yīng)”。離子聚集成熱點(diǎn)，最終會縮短電池壽命。

在這項研究中，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方式。在伯克利實(shí)驗室的高級光源(ALS)中，他們使用X射線顯微鏡來放大過程，使他們能夠繪制鋰離子濃度隨時間變化的情況。

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大部分材料向一個方向傳播，就像鮭魚游向上游一樣。

但是在篩選他們的數(shù)據(jù)時，研究人員注意到鋰離子在材料表面上的移動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)水流動的方向與鮭魚游泳的方向完全不同。

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方向移動，使得磷酸鐵鋰成為三維導(dǎo)體。

“事實(shí)證明，這些額外的途徑對材料來說是有問題的，這將會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。”Chueh教授說道。

電池工程的新領(lǐng)域

盡管過去二十年來對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期忽視的，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，人們總會發(fā)現(xiàn)一些新的有趣的材料，這些材料會讓你對它們的看法有所不同。”李益陽(音)說到，他曾在斯坦福大學(xué)和SLAC做研究生和博士后實(shí)驗工作。

李益陽(音)說到：“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了一些最好的散裝材料，同時，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：它們變得越來越好。我們正在建立一個重要的知識基礎(chǔ)，可以把這項基礎(chǔ)知識認(rèn)知添加到電池工程師的工具包中，這樣更有利于他們開發(fā)更好的材料。“

跨越不同的尺度

為了跟進(jìn)這項研究，研究人員將繼續(xù)將建模、模擬和實(shí)驗結(jié)合起來，嘗試通過SLAC的Linac相干光源或LCLS等設(shè)施，了解更多不同長度和時間尺度的電池性能的基本問題。他們使用的LCLS，能夠探測在時間尺度上發(fā)生的單個離子躍變，其速度可達(dá)一萬億分之一秒。

Chueh教授說：“開發(fā)鋰離子電池技術(shù)的障礙之一是涉及的長度和時間范圍都很大。關(guān)鍵過程可能會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程映射到原子運(yùn)動的長度。在SLAC，我們正在研究所有的電池材料，我們確信通過將建模和實(shí)驗結(jié)合起來，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。”