實(shí)際上，鋰離子電池通過(guò)將電子從電池的一端“移動(dòng)到另一端”來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量。我們可以利用來(lái)自那些移動(dòng)電子的能量來(lái)為我們工作，比如為鉆機(jī)提供動(dòng)力一樣。

 

電池的這兩個(gè)“端”稱(chēng)為電極。 一個(gè)稱(chēng)為陽(yáng)極，另一個(gè)稱(chēng)為陰極。通常，陽(yáng)極由碳制成，陰極由稱(chēng)為金屬氧化物的化合物制成，如氧化鈷。

 

最終的電池成分稱(chēng)為電解質(zhì)，它位于兩個(gè)電極之間。在鋰離子電池的情況下，電解質(zhì)是含有鋰離子的鹽溶液。鋰電池也因此得名。將電池放入設(shè)備時(shí)，帶正電的鋰離子會(huì)被吸引并向陰極移動(dòng)。一旦陰極被這些離子轟擊，陰極就會(huì)比陽(yáng)極充電更多，這會(huì)吸引帶負(fù)電的電子。隨著電子開(kāi)始向陰極移動(dòng)，我們迫使它們穿過(guò)我們的器件并利用電子流向陰極的能量來(lái)產(chǎn)生電能。你可以把它想象成水輪，除了在這里不是水流動(dòng)，而是電子流動(dòng)。

 

鋰離子電池特別有用，因?yàn)樗鼈兪强沙潆姷摹．?dāng)電池連接到充電器時(shí)，鋰離子以與以前相反的方向移動(dòng)。當(dāng)它們從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極時(shí)，電池恢復(fù)供另一次使用。與其他電池相比，鋰離子電池每單位重量也可以產(chǎn)生更多的電力。這意味著鋰離子電池可以存儲(chǔ)與其他電池相同的功率，但可以在更輕更小的體積中實(shí)現(xiàn)。

 

具體我們是如何為電池充電的呢？

 

簡(jiǎn)單來(lái)講，電池由三個(gè)部件組成：正電極，負(fù)電極和電解質(zhì)。當(dāng)電池正在充電時(shí)，鋰離子從正電極中提取并通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)移動(dòng)到負(fù)電極，在那里它們被存儲(chǔ)下來(lái)。此過(guò)程發(fā)生得越快，電池充電的速度就越快。制造電池的材料會(huì)嚴(yán)重限制該速率。石墨是負(fù)極的常用材料，因?yàn)樗芎芎玫亟邮苷x子并具有高能量密度。在尋找新的電極材料時(shí)，研究人員通常會(huì)嘗試使顆粒變小。然而，制造具有納米顆粒的實(shí)用電池是困難的，因?yàn)樗c電解質(zhì)產(chǎn)生許多棘手的化學(xué)反應(yīng)，因此電池不會(huì)持續(xù)那么長(zhǎng)，而且制造成本昂貴。

在過(guò)去的三十年里，鋰離子電池，一種將鋰離子來(lái)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(zhǎng)。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(guó)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(shuō)。“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(guò)程的每一步都會(huì)往哪里走。”你只能?chē)L試發(fā)展一種理論，并從測(cè)量中倒退。有了新的儀器和測(cè)量技術(shù)，我們開(kāi)始對(duì)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(guò)電動(dòng)巴士、使用過(guò)電動(dòng)工具或使用過(guò)無(wú)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(chē)的啟動(dòng)-停止功能與內(nèi)燃機(jī)和儲(chǔ)存風(fēng)能和太陽(yáng)能的電網(wǎng)。更好地理解這種材料和其他類(lèi)似材料可能會(huì)導(dǎo)致更快的充電，更長(zhǎng)的壽命和更耐用的電池。但直到最近，研究人員還只能猜測(cè)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(kāi)一樣。這就造成了覺(jué)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(lái)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(lái)，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(jí)光源(Als)上，他們使用X射線顯微鏡放大了這個(gè)過(guò)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(guò)大部分物質(zhì)，就像鮭魚(yú)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(cè)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(yú)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(guó)巴斯大學(xué)(UniversityofBath，UK)化學(xué)教授賽義夫·伊斯蘭(SaifulIslam)合作，開(kāi)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(wèn)題的物質(zhì)，促進(jìn)爆米花一樣的行為，導(dǎo)致它的失敗，”覺(jué)清說(shuō)。“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(zhǎng)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(shuō)。“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并開(kāi)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(lái)，試圖用SLAC的Linac相干光源(LCLS)等設(shè)備，在許多不同的長(zhǎng)度和時(shí)間尺度下，了解有關(guān)電池性能的基本問(wèn)題。在LCLS中，研究人員將能夠以每秒數(shù)萬(wàn)億分之一的速度探測(cè)單個(gè)離子跳躍。“

 

來(lái)自俄羅斯國(guó)家研究核子大學(xué)(俄羅斯)的研究人員則在延長(zhǎng)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(tuán)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(kāi)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(dòng)脈血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遙控物體和微型機(jī)器人以及能夠長(zhǎng)期工作的獨(dú)立系統(tǒng)。研究成果發(fā)表在雜志上。應(yīng)用物理信函.研究人員比以往任何時(shí)候都更感興趣的項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)納米技術(shù)，以微型化技術(shù)設(shè)備，主要是納米電子系統(tǒng)。在創(chuàng)造將納米電子學(xué)和機(jī)械元件結(jié)合起來(lái)的微機(jī)電和納米機(jī)電系統(tǒng)方面的最新成就可以使開(kāi)發(fā)微觀物理、生物或化學(xué)傳感器成為可能。然而，微型電池的缺乏為微機(jī)電系統(tǒng)和納米機(jī)電系統(tǒng)提供動(dòng)力，阻礙了這類(lèi)設(shè)備的大規(guī)模引進(jìn)。今天，科學(xué)家們正在研究制造微型鋰離子電池、太陽(yáng)能電池板、燃料電池和各種類(lèi)型的冷凝器的可能性。然而，這些電池仍然太大，無(wú)法開(kāi)發(fā)真正的微觀和納米系統(tǒng)。另一種為先進(jìn)的微機(jī)電和納米機(jī)電系統(tǒng)供電的方法是使用放射性同位素電池。無(wú)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(shí)間因核素的選擇而異。靜音無(wú)線電同位素電池可以在沒(méi)有錯(cuò)誤或長(zhǎng)期維護(hù)的情況下工作。鎳-63的獨(dú)特性能

 

 

熱電轉(zhuǎn)換被認(rèn)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(xué)家們也在研究β-伏打電池及其實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)在微型電池中安裝一種發(fā)射軟β輻射的無(wú)線電同位素，可以保護(hù)用戶(hù)和附近的物體免受輻射。因此，這種電池將有廣泛的應(yīng)用。梅菲的研究人員研究了納米團(tuán)簇鎳膜的電物理性質(zhì)，并選擇了實(shí)驗(yàn)的最佳參數(shù)，目的是建立一個(gè)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(guò)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(zhǎng)，為100.1年。因此，這個(gè)獨(dú)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(duì)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(chǔ)存和運(yùn)輸。研究人員正試圖提高當(dāng)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(jì)量問(wèn)題學(xué)院的助理教授Pyotr Borisyuk說(shuō)，研究人員已經(jīng)開(kāi)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(qiáng)β粒子一連串非彈性碰撞所引起的電流信號(hào)。他指出：“相對(duì)來(lái)說(shuō)，制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是相對(duì)容易的，該系統(tǒng)由密集填充的鎳納米團(tuán)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。”