在過去的三十年里，鋰離子電池，一種將鋰離子來回移動(dòng)到充電和放電的可充電電池，使得小型設(shè)備的充電速度更快，持續(xù)時(shí)間更長。由SLAC的斯坦福材料與能源科學(xué)研究所的教員、斯坦福材料科學(xué)教授威廉·崔領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)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(diǎn)像一個(gè)黑匣子，”麻省理工學(xué)院教授、這項(xiàng)研究的另一位負(fù)責(zé)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(gè)過程的每一步都會(huì)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(yán)格的科學(xué)理解。“爆米花效應(yīng)任何乘坐過電動(dòng)巴士、使用過電動(dòng)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(dòng)-停止功能與內(nèi)燃機(jī)和儲(chǔ)存風(fēng)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(huì)導(dǎo)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(jī)制。當(dāng)鋰離子電池充放電時(shí)，鋰離子從液體溶液中流入固體儲(chǔ)藏室。但是一旦進(jìn)入固體，鋰就會(huì)重新排列，有時(shí)導(dǎo)致材料分裂成兩個(gè)不同的相，就像油和水混合在一起時(shí)分開一樣。這就造成了覺悟所謂的“爆米花效應(yīng)”。離子聚集在一起，形成熱點(diǎn)，從而縮短電池壽命。

 

 

在這項(xiàng)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(dòng)的。在伯克利實(shí)驗(yàn)室的高級光源(Als)上，他們使用X射線顯微鏡放大了這個(gè)過程，讓他們能夠描繪出鋰的濃度隨時(shí)間的變化。上游游以前，研究人員認(rèn)為磷酸鐵鋰是一種一維導(dǎo)體，這意味著鋰離子只能向一個(gè)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(xì)研究他們的數(shù)據(jù)時(shí)，研究人員注意到，鋰在材料表面的運(yùn)動(dòng)方向與根據(jù)先前模型預(yù)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(dāng)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(dǎo)致離子聚集成熱點(diǎn)，從而縮短電池壽命。學(xué)分：斯坦福大學(xué)/三維圖形他們與英國巴斯大學(xué)(UniversityofBath，UK)化學(xué)教授賽義夫·伊斯蘭(SaifulIslam)合作，開發(fā)該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型和模擬。這些研究表明，鋰離子在材料表面向另外兩個(gè)方向移動(dòng)，從而使磷酸鐵鋰成為三維導(dǎo)體。“事實(shí)證明，這些額外的途徑是有問題的物質(zhì)，促進(jìn)爆米花一樣的行為，導(dǎo)致它的失敗，”覺清說。“如果鋰可以在表面移動(dòng)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(shí)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(jìn)這項(xiàng)研究，研究人員將繼續(xù)將建模、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，試圖用SLAC的Linac相干光源(LCLS)等設(shè)備，在許多不同的長度和時(shí)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(gè)離子跳躍。“