2021年2月4
尽管全世界都在使用锂电池，但其运行的确切动态仍然难以捉摸。x射线已经被证明是观察电池内部实时变化的强大工具。
利用先进光子源(APS)的超亮x射线，美国能源部(DOE)科学用户设施办公室在能源部的阿贡国家实验室，一个研究小组最近观察了固态锂电池内部材料的内部演变，当它们充放电时。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球这些详细的3D信息可能有助于提高电池的可靠性和性能，这种电池使用固体材料来取代现有锂离子电池中易燃的液体电解质。欧洲杯足球竞彩
在这一领域有大量的商业和科学兴趣，来自这项研究的信息应该有助于推动这项技术走向广泛的商业应用。”
马修·麦克道尔，佐治亚理工学院
APS波束2-BM的研究人员使用一个小的(大约两毫米宽)圆柱形电池，能够捕捉电池充放电周期中结构变化的3D图像。
“使这项研究成为可能的光束线的主要特点是高灵敏度和非常快的速度。”阿贡X射线科学部门的组长、该论文的合著者Francesco De Carlo说。欧洲杯线上买球“灵敏度帮助团队在密度相近的情况下区分电池内部的相，而速度让他们能够捕捉电池内部的变化，而这一过程也在不断发展。”
这些清晰的图像揭示了锂/固体电解质界面电极材料的动态变化如何决定固体电池的行为。欧洲杯足球竞彩研究人员发现，电池操作会在界面上形成微小的空洞，其大小可达1-2微米，约为人类头发宽度的50倍，从而导致细胞失去接触，这是导致细胞失效的主要原因。
“这项工作提供了对电池内部情况的基本了解，这些信息对指导工程工作非常重要，将使这些电池在未来几年内更接近商业现实。”该论文的作者之一、佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)乔治·w·伍德拉夫机械工程学院(George W. Woodruff School of Mechanical Engineering)和材料科学与工程学院的助理教授马修·麦克道尔(Matthew Mc欧洲杯足球竞彩Dowell)说。欧洲杯线上买球“我们能够准确地了解界面上的空隙是如何以及在哪里形成的，然后将其与电池性能联系起来。”
这项研究发表在1月28日的《华尔街日报》上自然材料欧洲杯足球竞彩．
锂离子电池目前广泛应用于从移动电子产品到电动汽车的各个领域，在充电和放电循环期间，锂离子电池依靠液体电解质在电池内的电极之间来回携带离子。液体均匀地覆盖在电极上，允许离子自由移动。
快速发展的固态电池技术转而使用固态电解质，这将有助于提高能量密度，并提高未来电池的安全性。但是，从电极上移除锂可能会在接口处产生空隙，从而导致可靠性问题，从而限制电池的工作时间。
“为了解决这个问题，你可以想象通过不同的沉积过程创建结构化界面，试图通过循环过程保持接触，”麦克道尔说。“对这些界面结构的精心控制和工程设计对未来固态电池的发展非常重要，我们在这里学到的东西可以帮助我们设计界面。”
佐治亚理工学院的研究小组，由第一作者和研究生Jack Lewis领导，建造了专门的测试单元，用于在APS的波束2-BM上进行研究。在为期5天的密集实验中，该团队的4名成员使用x射线计算机断层扫描技术研究了电池结构的变化。
“该仪器从不同方向获取图像，然后使用计算机算法进行重建，以提供电池随时间变化的3D图像，”麦克道尔说。“我们在充电和放电时进行了这种成像，以观察电池内部的变化。”
因为锂非常轻，所以用X射线对其进行成像可能具有挑战性，需要对测试电池进行特殊设计。阿贡使用的技术类似于用于医学计算机断层扫描（CT）的技术。“我们不是在给人成像，而是在给电池成像，”他说。
由于测试的局限性，研究人员只能通过单个循环观察电池的结构。在未来的工作中，麦克道尔想知道在额外的循环中会发生什么，以及这种结构是否以某种方式适应了空隙的产生和填补。研究人员认为，该结果可能适用于其他电解质配方，表征技术可以用于获取其他电池过程的信息。
De Carlo还指出，下一步可能是纳米层析成像技术，它使用更紧密聚焦的x射线束，如果在操作过程中形成电池中更小的空隙，就可以提供这些空隙的图片。这种技术在APS上也是可行的。
电动汽车的电池组在预计150000英里的使用寿命内必须至少能承受1000次循环。虽然带有锂金属电极的固态电池可以为特定尺寸的电池提供更多的能量，但这一优势无法克服现有技术，除非它们能够提供类似的寿命。
“我们对固态电池的技术前景感到非常兴奋，”麦克道尔说。“在这一领域有大量的商业和科学兴趣，来自这项研究的信息应该有助于推动这项技术走向广泛的商业应用。”
除了这些已经提到的，合著者还包括来自佐治亚理工学院的Francisco Javier Quintero Cortes、Yuhgene Liu、John C. Miers、Jared Tippens、Dhruv Prakash、Thomas S. Marchese、Sang Yun Han、Chanhee Lee、Pralav P. Shetty和Christopher Saldana;普渡大学的Ankit Verma, Bairav S. Vishnugopi和Partha P. Mukherjee;蔚山国立科学技术研究院李贤旭;欧洲杯线上买球以及来自阿贡国家实验室的帕维尔·舍甫琴科。
关于高级光子源
美国能源部科学办公室位于阿贡国家实验室的先进光子源(APS)是世界上生产效率最高的欧洲杯线上买球x射线光源设施之一。APS为材料科学、化学、凝聚态物理、生命和环境科学以及应用研究等领域的研究人员提供高亮度的x射线束。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球这些x射线非常适合探索材料和生物结构;欧洲杯足球竞彩元素分布;化学态、磁性态、电子态;以及一系列从电池到喷油器喷雾器的重要工程系统，所有这些都是我们国家经济、技术和身体健康的基础。每年，有5000多名研究人员使用APS发表2000多篇论文，详细介绍了有影响力的发现，并解决了比任何其他x射线光源研究设施的用户更重要的生物蛋白结构。APS的科学家和工程师创新技术，这是推进加速器和光源操作的核心。这包括能产生研究人员所珍视的超高亮度x射线的插入装置，能将x射线聚焦到几纳米的透镜，能最大化x射线与被研究样品相互作用的仪器，以及收集和管理APS发现研究产生的大量数据的软件。
这项研究使用了先进光子源的资源，先进光子源是美国能源部科学办公室的用户设施，由阿贡国家实验室根据合同编号为能源部科学办公室运作。欧洲杯线上买球DE-AC02-06CH11357。
资料来源：https://www.anl.gov/