在過去的三十年中，鋰離子電池，可充電電池可以來回移動鋰離子進行充電和放電，從而使更小的設備能夠更快地加速並延長使用壽命。
現在，能源部SLAC國家加速器實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室的X射線實驗表明，鋰離子通過普通電池材料的路徑比以前認為的要復雜得多。結果糾正了材料的二十多年的假設，並將有助於改善電池設計，可能導致新一代鋰離子電池。
由SLAC斯坦福材料與能源科學研究所的教授科學家William Chueh和斯坦福材料科學教授領導的國際研究團隊今天在Nature Materials上發表了這些研究結果。
麻省理工學院教授，該研究的另一位領導人Martin Bazant說：“以前，它有點像黑盒子。” “你可以看到材料效果很好，某些添加劑似乎有所幫助，但你無法確切知道鋰離子在過程的每個步驟中的位置。你只能嘗試開發一種理論並從測量中反向工作。憑藉新的儀器和測量技術，我們開始對這些事情的實際運作方式進行更嚴格的科學理解。“
'爆米花效應'
任何乘坐電動公交車，使用電動工具或使用無繩真空吸塵器的人都可能獲得他們研究的電池材料磷酸鐵鋰的好處。它還可用於帶內燃機的汽車的啟停功能，以及電網中風能和太陽能的存儲。更好地了解這種材料和其他類似材料可以帶來更快速充電，更持久和更耐用的電池。但直到最近，研究人員才能猜測允許其發揮作用的機制。
當鋰離子電池充電和放電時，鋰離子從液體溶液流入固體儲存器。但是一旦進入固體，鋰就會重新排列，有時會使材料分裂成兩個不同的階段，就像混合在一起時油和水分離一樣。這導致Chueh所說的“爆米花效應”。離子聚集成熱點，最終縮短電池壽命。
在這項研究中，研究人員使用兩種X射線技術來探索鋰離子電池的內部工作原理。在SLAC的斯坦福同步輻射光源（SSRL）上，他們從磷酸鐵鋰樣品中反射X射線，以顯示其原子和電子結構，讓他們了解鋰離子在材料中的移動方式。在伯克利實驗室的高級光源（ALS）中，他們使用X射線顯微鏡來放大過程，使他們能夠繪製鋰濃度隨時間變化的情況。
上游游泳
以前，研究人員認為磷酸鐵鋰是一維導體，這意味著鋰離子只能通過大部分材料向一個方向傳播，就像鮭魚游向上游一樣。
但是在篩選他們的數據時，研究人員注意到鋰在材料表面上的移動方向完全不同於以前的模型。就好像有人在溪流表面上扔了一片葉子，發現水流動的方向與游泳鮭魚完全不同。
他們與英國巴斯大學化學教授Saiful Islam合作開發計算機模型和系統模擬。這些揭示了鋰離子在材料表面上沿另外兩個方向移動，使得磷酸鐵鋰成為三維導體。
“事實證明，這些額外的途徑對材料來說是有問題的，促使爆米花般的行為導致其失敗，”Chueh說。 “如果鋰可以在表面上移動得更慢，那麼它將使電池更均勻。這是開發更高性能和更持久電池的關鍵。”
電池工程的新領域
儘管過去二十年來磷酸鐵鋰已經存在，但直到幾年前才能在納米級和電池運行期間研究它。
“這解釋了這種材料的這種重要特性如何長期被忽視，”李益陽說，他曾在斯坦福大學和SLAC擔任研究生和博士後實驗工作。 “隨著新技術的出現，人們總會發現一些新的有趣的材料，這些材料讓你對它們的看法有所不同。”
這項工作是Bazant，Chueh和其他幾位科學家合作的第一篇論文之一，作為豐田研究院資助的研究中心的一部分，該研究中心利用理論和機器學習來設計和解釋高級實驗。
Bazant說，這些最新發現創造了一個更複雜的故事，理論家和工程師將來必須考慮這些故事。
“它進一步證明了設計鋰離子電池表面真正是新領域的論點，”他說。 “我們已經發現並開發了一些最好的散裝材料。我們已經看到鋰離子電池仍在以非常顯著的速度發展：它們不斷變得越來越好。這項研究正在推動一個嘗試的穩步推進實際工作的技術。我們正在建立一個重要的知識基礎，可以添加到電池工程師的工具包中，因為他們試圖開發更好的材料。“
跨越不同的尺度
為了跟進這項研究，研究人員將繼續將建模，模擬和實驗結合起來，嘗試通過SLAC的Linac相干光源或LCLS等設施，了解許多不同長度和時間尺度的電池性能基本問題。能夠探測在時間尺度上發生的單個離子躍變，其速度可達一萬億分之一秒。
Chueh說：“開發鋰離子電池技術的障礙之一是涉及的長度和時間範圍都很大。” “關鍵過程可能會在瞬間或多年內發生。前進的路徑需要將這些過程映射到從米一直到原子運動的長度。在SLAC，我們正在研究所有這些的電池材料將這種與建模和實驗結合起來的確是使這種理解成為可能的原因。“
除了SLAC，斯坦福大學，伯克利實驗室，麻省理工學院和巴斯大學之外，合作還包括斯洛文尼亞國家化學研究所和盧布爾雅那大學的研究人員。
LCLS，SSRL和ALS是DOE科學辦公室的用戶設施。這項工作的理論方面得到了豐田研究所和其他資助機構的支持。
