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(xiàn)。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(shù)，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(nèi)燃機和儲存風能和太陽能的電網(wǎng)。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(shù)來探索鋰離子電池的內(nèi)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(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，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(zhì)，就像鮭魚游向上游一樣。但是，在仔細研究他們的數(shù)據(jù)時，研究人員注意到，鋰在材料表面的運動方向與根據(jù)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(xiàn)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(zhì)，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(guān)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(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(jié)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(guān)電池性能的基本問題。在LCLS中，研究人員將能夠以每秒數(shù)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(shù)，以微型化技術(shù)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(jié)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(zhuǎn)化為電能。這些元素的質(zhì)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

 

 

熱電轉(zhuǎn)換被認為是將放射性衰變能量轉(zhuǎn)化為電能的最方便的方法之一。但科學家們也在研究β-伏打電池及其實際應用。通過在微型電池中安裝一種發(fā)射軟β輻射的無線電同位素，可以保護用戶和附近的物體免受輻射。因此，這種電池將有廣泛的應用。梅菲的研究人員研究了納米團簇鎳膜的電物理性質(zhì)，并選擇了實驗的最佳參數(shù)，目的是建立一個系統(tǒng)，有效地將鎳-63同位素的β衰變能量轉(zhuǎn)化為電能。鎳-63同位素是β-伏打過程中最有前途的放射性核素之一。這種軟β輻射發(fā)射器的半衰期很長，為100.1年。因此，這個獨特的元素非常適合為不需要高輸出的各種系統(tǒng)供電。

 

 

彈性、相對惰性和易于加工的鎳是一種有效的金屬，就其性能而言.它不必在集裝箱內(nèi)儲存和運輸。研究人員正試圖提高當前系統(tǒng)的效率，將鎳-63元素的β衰變能量轉(zhuǎn)化為電能，并尋找替代的物理系統(tǒng)。這種方法很有希望。梅菲的研究人員正在使用新的方法梅菲物理技術(shù)計量問題學院的助理教授Pyotr Borisyuk說，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種不尋常的物理系統(tǒng)，可以在納米結(jié)構(gòu)的鎳薄膜中產(chǎn)生二次電子，并大大增強β粒子一連串非彈性碰撞所引起的電流信號。他指出：“相對來說，制作一個實驗系統(tǒng)是相對容易的，該系統(tǒng)由密集填充的鎳納米團簇組成，納米粒子在氧化硅表面的梯度分布，這是一種寬帶介電，取決于它們的大小。”

 

 

研究人員報告說，納米顆粒梯度分布的鎳-63納米團簇膜的形成結(jié)合了兩個重要的過程。首先，有可能在預定的方向上開發(fā)出由不同納米顆粒尺寸決定的固定電位差的涂層。其次，它將把鎳-63同位素β衰變的能量轉(zhuǎn)化為電流，而不需要額外的難度來生產(chǎn)半導體系統(tǒng)。新型梯度納米團簇鎳薄膜具有獨特的性能，具有熱電轉(zhuǎn)換的放射性同位素電源幾乎無限制的應用。微型核電池可用于微機電和納米機電系統(tǒng)、起搏器、微型葡萄糖傳感器和動脈血壓監(jiān)測系統(tǒng)，還可用于控制遠程物體和微型機器人，以及能夠在深海、海底和極北運行很長時間的獨立系統(tǒng)。