在過去的三十年里，鋰離子電池，一種將鋰離子來回移動到充電和放電的可充電電池，使得小型設備的充電速度更快，持續(xù)時間更長。由SLAC的斯坦福材料與能源科學研究所的教員、斯坦福材料科學教授威廉·崔領導的一個國際研究小組今天發(fā)表了這些發(fā)現。天然材料.“以前，它有點像一個黑匣子，”麻省理工學院教授、這項研究的另一位負責人馬丁·巴贊(MartinBazant)說。“你可以看到材料工作得很好，某些添加劑似乎也有幫助，但你不能確切地知道鋰離子在這個過程的每一步都會往哪里走。”你只能嘗試發(fā)展一種理論，并從測量中倒退。有了新的儀器和測量技術，我們開始對這些東西的工作原理有了更嚴格的科學理解。“爆米花效應任何乘坐過電動巴士、使用過電動工具或使用過無繩真空的人，都有可能從他們研究的電池材料中獲益，磷酸鐵鋰。它也可以用于汽車的啟動-停止功能與內燃機和儲存風能和太陽能的電網。更好地理解這種材料和其他類似材料可能會導致更快的充電，更長的壽命和更耐用的電池。但直到最近，研究人員還只能猜測能讓它發(fā)揮作用的機制。當鋰離子電池充放電時，鋰離子從液體溶液中流入固體儲藏室。但是一旦進入固體，鋰就會重新排列，有時導致材料分裂成兩個不同的相，就像油和水混合在一起時分開一樣。這就造成了覺悟所謂的“爆米花效應”。離子聚集在一起，形成熱點，從而縮短電池壽命。

 

 

在這項研究中，研究人員使用了兩種X射線技術來探索鋰離子電池的內部工作.在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)上，他們將X射線從磷酸鐵鋰樣品中反射出來，以揭示其原子結構和電子結構，讓他們了解鋰離子在材料中是如何移動的。在伯克利實驗室的高級光源(Als)上，他們使用X射線顯微鏡放大了這個過程，讓他們能夠描繪出鋰的濃度隨時間的變化。上游游以前，研究人員認為磷酸鐵鋰是一種一維導體，這意味著鋰離子只能向一個方向穿過大部分物質，就像鮭魚游向上游一樣。但是，在仔細研究他們的數據時，研究人員注意到，鋰在材料表面的運動方向與根據先前模型預測的方向完全不同。就好像有人把一片葉子扔到溪面上，發(fā)現水流的方向和游鮭魚完全不同。當鋰離子流入電池的固體電極-這里是六角形切片-鋰可以重新排列，導致離子聚集成熱點，從而縮短電池壽命。學分：斯坦福大學/三維圖形他們與英國巴斯大學(UniversityofBath，UK)化學教授賽義夫·伊斯蘭(SaifulIslam)合作，開發(fā)該系統(tǒng)的計算機模型和模擬。這些研究表明，鋰離子在材料表面向另外兩個方向移動，從而使磷酸鐵鋰成為三維導體。“事實證明，這些額外的途徑是有問題的物質，促進爆米花一樣的行為，導致它的失敗，”覺清說。“如果鋰可以在表面移動得更慢，它將使電池更加均勻。這是發(fā)展更高性能和更長壽命電池的關鍵。“電池工程的新前沿-離子電池確實是新的前沿，“他說。“我們已經發(fā)現并開發(fā)了一些最好的散裝材料。我們已經看到鋰離子電池為了跟進這項研究，研究人員將繼續(xù)將建模、仿真和實驗結合起來，試圖用SLAC的Linac相干光源(LCLS)等設備，在許多不同的長度和時間尺度下，了解有關電池性能的基本問題。在LCLS中，研究人員將能夠以每秒數萬億分之一的速度探測單個離子跳躍。“

 

來自俄羅斯國家研究核子大學(俄羅斯)的研究人員則在延長鋰電池使用壽命上有了新突破，他們正在研制含鎳-63納米團簇放射性同位素膜的放射性同位素β-伏打電池。其概念是開發(fā)壽命為100年的安全核電池，用于起搏器、微型葡萄糖傳感器、動脈血壓監(jiān)測系統(tǒng)、遙控物體和微型機器人以及能夠長期工作的獨立系統(tǒng)。研究成果發(fā)表在雜志上。應用物理信函.研究人員比以往任何時候都更感興趣的項目，開發(fā)納米技術，以微型化技術設備，主要是納米電子系統(tǒng)。在創(chuàng)造將納米電子學和機械元件結合起來的微機電和納米機電系統(tǒng)方面的最新成就可以使開發(fā)微觀物理、生物或化學傳感器成為可能。然而，微型電池的缺乏為微機電系統(tǒng)和納米機電系統(tǒng)提供動力，阻礙了這類設備的大規(guī)模引進。今天，科學家們正在研究制造微型鋰離子電池、太陽能電池板、燃料電池和各種類型的冷凝器的可能性。然而，這些電池仍然太大，無法開發(fā)真正的微觀和納米系統(tǒng)。另一種為先進的微機電和納米機電系統(tǒng)供電的方法是使用放射性同位素電池。無線電同位素或核或原子電池將元穩(wěn)定元素(原子核)放射性衰變的能量轉化為電能。這些元素的質量和體積都有很高的能量密度。持續(xù)能量排放的持續(xù)時間因核素的選擇而異。靜音無線電同位素電池可以在沒有錯誤或長期維護的情況下工作。鎳-63的獨特性能