可充电电池的纳米级秘密被揭露
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通过可视化电池的基本构件，一个团队已经阐明了一个远比以前想象的复杂的过程。
对于工程师来说，什么才是黄铜环呢?好吧，充电快、续航时间长的好电池就是其中之一。但是，尽管经过了几十年的研究和创新，对于电池在最小尺寸下如何工作的基本理解仍然是难以捉摸的。
在杂志上发表的一篇论文中科学威廉Chueh领导的研究小组,在斯坦福大学材料科学与工程助理教授和教师科学家能源部SLAC国家加速器实验室,设计了一种前所未有的对等的电化学反应燃料今天最常见的可充电电池在使用:锂离子电池。
通过可视化电池的基本组成部分——通常小于人类头发的百分之一大小的小粒子——团队成员阐明了一个远比以前想象的复杂的过程。他们开发的实时观察电池的方法，以及他们对电化学的进一步了解，都可能对电池的设计、管理和其他方面产生深远的影响。
“这让我们对电池的工作原理有了基本的了解，”该论文的联合第一作者、斯坦福大学材料与能源科学研究所(Stanford Institute for Materials & Energy Sciences at SLAC)的博士后研究员林宗佑(Jongwoo Lim)说。“以前，大多数研究都是调查整个电池的平均行为。现在，我们可以看到并理解单个电池粒子是如何充放电的。”
电池的核心
每个锂离子电池的核心都是一个简单的化学反应:当电池放电时，带正电的锂离子嵌在晶体电极的晶格结构中，在这个过程中接收负电。通过移走电子来逆转反应，离子被释放，电池充电。
图1:__ *放大的纳米粒子显示在这里充电(红色到绿色)和放电(绿色到红色)。动画显示了更快和更慢的电荷区域。(资料来源:SLAC国家加速器实验室)*
这些基本的过程——被称为锂化(放电)和delideliation(充电)——都被电化学的一个致命弱点所阻碍。离子很少均匀地穿过粒子的表面。相反，某些区域会吸收更多的离子，而其他区域则会吸收更少的离子。这些不一致最终导致了机械应力，因为晶体晶格的区域变得超载离子和发展出微小的裂缝，消耗电池性能和缩短电池寿命。
“锂化和delideliation应该是均匀的，”该论文的联合作者、觉的实验室博士生李益阳(音)说。“然而，在现实中，它们非常不统一。为了更好地理解这一过程，本文提出了抑制这种现象的途径。”
对于像Chueh和他的团队这样希望改进电池的研究人员来说，抵消这些有害力量可以使电池充电更快、更充分，比现在的电池续航时间更长。
这项研究以精细的细节和规模实时可视化充电/放电反应——科学家称之为operanan。该团队利用了劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源，使用了明亮的x射线和尖端显微镜。
Chueh和他的团队使用与智能手机和电动汽车相同的活性材料制作了一个透明电池。它是与蜂鸟科学公司合作设计和制作的。它由两个非常薄的透明氮化硅“窗口”组成。电池电极由一层磷酸铁锂纳米颗粒制成，位于两个窗口间隙内的薄膜上。一种被称为电解质的咸液体在缝隙中流动，将锂离子输送到纳米颗粒中。
“这是一个非常非常小的电池，容量比智能手机电池少100亿倍，”觉说。“但它让我们能够清楚地看到纳米尺度上发生了什么。”
显著的进步
在他们的研究中，研究人员发现充电过程(delideliation)明显不如放电过程(lithium)均匀。有趣的是，研究人员还发现，更快的充电可以改善一致性，这可能会导致新的、更好的电池设计和电源管理策略。万博投注网址
“改进后的均匀性降低了电极上的破坏性机械应力，并提高了电池的循环能力，”Chueh说。“除了电池，这项工作还可能对许多其他电化学材料产生深远影响。”他指出了催化剂、记忆设备和所谓的智能玻璃，这种玻璃在带电时可以从半透明转变为透明。