借助X 射線，研究人員發(fā)現(xiàn)了影響固態(tài)電池壽命的原因

X 射線對(duì)于大家來(lái)說(shuō)再熟悉不過(guò)了，它已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于生活中的各個(gè)方面，比如在醫(yī)院做胸透檢查，再比如進(jìn)地鐵、高鐵、機(jī)場(chǎng)的安檢等等。借助X 射線，可以讓我們?cè)诓黄茐奈矬w的前提下看到了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

作為未來(lái)極具潛質(zhì)的新型電池品類—— 固態(tài)電池迅速進(jìn)入人們的視野。固態(tài)電池是相對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的液態(tài)電池而言的，比如手機(jī)使用的電池，也叫鋰離子電池，它就屬于液態(tài)電池。相較于液態(tài)電池，固態(tài)電池在安全性、能量密度、充放電效率等各個(gè)方面都有很大的飛躍。

液態(tài)電池的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，其內(nèi)部有液體電解質(zhì)，鋰離子在正極和負(fù)極之間的移動(dòng)形成電流。然而固態(tài)電池使用固體材料來(lái)取代現(xiàn)有鋰離子電池中易燃的液體電解質(zhì)，那它的充放電過(guò)程是怎么樣的呢？想要深度研究固態(tài)電池，借助X 射線或許是一種可行的方法。

用X 射線斷層掃描重建電池內(nèi)固體電解質(zhì)界面三維視圖

研究小組使用特殊X 射線探究固態(tài)電池內(nèi)部

最近，來(lái)自Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組便借助X 射線讓固態(tài)電池充電/ 放電過(guò)程得以展現(xiàn)出來(lái)。如下圖所示，一塊固態(tài)電池正在通過(guò)佐治亞理工學(xué)院設(shè)計(jì)的定制硬件進(jìn)行充電和放電。

研究小組使用美國(guó)能源部Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源（APS）的超亮X 射線，使用一個(gè)大約2 毫米寬的圓柱形電池，觀察了固態(tài)電池在充放電過(guò)程中材料的內(nèi)部轉(zhuǎn)化，能夠在電池充電和放電過(guò)程中捕捉到結(jié)構(gòu)變化的三維圖像。

Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室X 射線科學(xué)部門的組長(zhǎng)Francesco De Carlo 說(shuō)：“這種X 射線的主要特點(diǎn)是超高的靈敏度和非?？斓乃俣?，正是基于這些特性才使得這項(xiàng)研究成為可能。”“射線的靈敏性幫助研發(fā)小組區(qū)分具有相似密度的電池內(nèi)部的相位，而射線的速度使他們能夠在電池內(nèi)部的變化過(guò)程中捕捉到變化。”他補(bǔ)充說(shuō)。

這些清晰的圖像揭示了固體電解質(zhì)界面上電極材料的動(dòng)態(tài)變化如何確定固態(tài)電池的性能。研究人員發(fā)現(xiàn)，電池工作導(dǎo)致界面上形成的微小空隙，大小可達(dá)1 微米～2 微米，比人類頭發(fā)絲的直徑還要小約50 倍，這就造成了接觸不良，而這也是導(dǎo)致電池失效的主要原因。

佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授Matthew McDowell 表示：“我們能夠準(zhǔn)確了解界面處空隙的形成方式和位置，然后將其與電池性能聯(lián)系起來(lái)。這項(xiàng)工作提供了對(duì)電池內(nèi)部情況的基本了解，這些信息對(duì)于指導(dǎo)工程工作至關(guān)重要，而這些工程工作將在未來(lái)幾年里推動(dòng)固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?！?/p>

循環(huán)壽命是阻礙固態(tài)電池發(fā)展的一大障礙

電動(dòng)汽車電池組

如今，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于從移動(dòng)電子到電動(dòng)汽車等幾乎各個(gè)領(lǐng)域。在鋰電池內(nèi)部，液體電解質(zhì)均勻地覆蓋在電極上，允許鋰離子自由移動(dòng)。而固態(tài)電池技術(shù)取而代之的是使用固體電解質(zhì)，這將有助于提高能量密度以及提高電池的安全性。但是從電極上移除鋰會(huì)在界面處產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致可靠性問題，從而限制電池的使用壽命。

McDowell 說(shuō)：“為了解決這個(gè)問題，可以想象通過(guò)不同的沉積過(guò)程來(lái)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化的界面，以保障在循環(huán)過(guò)程中保持接觸。這些接口的結(jié)構(gòu)控制和工程設(shè)計(jì)對(duì)于將來(lái)的固態(tài)電池開發(fā)將非常重要，我們?cè)谶@里學(xué)到的知識(shí)可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)接口?！?/p>

由Jack Lewis 領(lǐng)導(dǎo)的佐治亞理工學(xué)院研究小組專門建造了特殊的測(cè)試單元，在APS 的光束線上進(jìn)行研究。與此同時(shí)，研究小組的四名成員在為期五天的密集實(shí)驗(yàn)中，利用X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)研究了固態(tài)電池結(jié)構(gòu)的變化。

McDowell 說(shuō)：“我們?cè)诮o固態(tài)電池充電和放電的時(shí)候進(jìn)行成像，以觀察電池工作時(shí)電池內(nèi)部的變化。儀器從不同方向拍攝圖像，然后用計(jì)算機(jī)算法重建圖像，以提供固態(tài)電池隨時(shí)間推移的三維圖像?！?/p>

由于鋰非常輕，因此用X 射線對(duì)其成像可能具有一定的挑戰(zhàn)性，并且需要對(duì)測(cè)試電池進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。Argonne 所使用的技術(shù)類似于醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）所使用的技術(shù)。

由于測(cè)試的局限性，研究人員只能在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)觀察電池的結(jié)構(gòu)。在未來(lái)的工作中，McDowell 希望了解在其他循環(huán)周期中會(huì)發(fā)生什么，以及該結(jié)構(gòu)是否以某種方式適應(yīng)空隙的產(chǎn)生和填充。研究人員認(rèn)為，這一結(jié)果可能會(huì)應(yīng)用于其他電解質(zhì)配方，并且表征技術(shù)可用于獲取有關(guān)其他電池工藝的信息。

Francesco De Carlo 則表示：“下一步可能采用納米斷層成像技術(shù)，它使用更緊密聚焦的X 射線束，并可以提供電池中更小的空隙（如果它們?cè)诠ぷ髌陂g形成）的照片，而且在APS 上也可以使用此技術(shù)?！?/p>

電動(dòng)汽車的電池組在預(yù)計(jì)15 萬(wàn)英里的使用壽命內(nèi)必須能承受至少1000次充放電循環(huán)。雖然帶有鋰金屬電極的固態(tài)電池可以為特定尺寸的電池提供更多的能量，但除非能提供足夠長(zhǎng)的使用壽命，否則這種優(yōu)勢(shì)將無(wú)法克服現(xiàn)有技術(shù)。

對(duì)此，McDowell 表示：“我們對(duì)固態(tài)電池的技術(shù)前景感到非常興奮，在這個(gè)領(lǐng)域有很大的商業(yè)和科學(xué)興趣，這項(xiàng)研究的信息將有助于推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)走向廣泛的商業(yè)應(yīng)用?！?/p>