钜大LARGE | 点击量：688次 | 2021年12月15日
科学家提出可精确测量电池内电荷数量的方案 为新型电池的研究奠定基础
未来的交通工具是电动汽车、卡车和飞机。但单电池设计不可能为未来提供动力。甚至你的手机和笔记本电脑的电池也有不同的要求和不同的设计。未来几十年我们需要的电池必须根据其具体用途进行调整。
这意味着要尽可能准确地了解每种电池内部的情况。每一个电池的工作原理都是一样的：离子是带电荷的原子或分子，它通过一种叫做电解液的材料，把电流从阳极带到阴极，然后再返回。但是它们在这种物质中的精确运动，无论是液体还是固体，已经让科学家们困惑了几十年。准确地了解不同类型的离子是如何通过不同类型的电解质的，这将有助于研究人员找出如何影响这种运动，从而制造出最适合其特定用途的充放电电池。
在一项突破性的发现中，一组科学家展示了一种技术组合，可以精确测量通过电池的离子。利用美国能源部（DOE）位于美国能源部阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）的高级光子源（AdvancedPhotonSource，简称APS），这些研究人员不仅在电池工作时观察电池内部，实时测量反应，还为不同类型电池的类似实验打开了大门。
研究人员与阿贡领导的能源部能源创新中心联合储能研究中心（JCESR）合作研究这一结果。该小组的论文详细描述了锂离子在聚合物电解质中的移动速度，发表在《能源与环境科学》上。
这篇论文的第一作者、德国帕德伯恩大学教授汉斯·格奥尔格·斯坦鲁克说：“这是一种测量速度和浓度的不同实验方法的组合，然后将它们与理论进行比较。”我们证明了这是可能的，现在我们将在其他性质不同的系统上执行它。”
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充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
这些方法在APS的beamline8-ID-I上进行，包括使用超亮X射线测量离子在电池中移动的速度，并在模型电池放电时同时测量电解液中的离子浓度。研究小组随后将他们的结果与数学模型进行了比较。他们的结果是一个非常精确的数字，代表离子携带的电流，也就是所谓的传输数。
输运数基本上是正电荷离子所携带的电流与总电流的关系，研究小组的计算结果表明这个数字大约为0.2。研究人员说，由于这种测量离子运动的新方法的敏感性，这一结论与其他方法得出的结论不同。
科罗拉多大学博尔德分校教授、该论文作者迈克尔·托尼（MichaelToney）表示，多年来，真正的价值传递数一直是科学家们争论的话题。进行这项研究时，托尼和斯坦鲁克都是美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家。
“传统的测量运输量的方法是分析电流，”托尼说但目前还不清楚有多少电流是由锂离子引起的，还有多少是由其他你不想在分析中用到的东西引起的。原理很简单，但我们必须精确测量。这无疑是一个概念的证明。”
在这个实验中，研究小组使用固体聚合物电解质，而不是广泛用于锂离子电池的液体电解质。正如托尼所说，聚合物更安全，因为它们避免了一些液体电解质的易燃性问题。
阿贡的VenkatSrinivasan是JCESR的副主任，也是这篇论文的作者，他有丰富的经验来模拟电池内部的反应，但这是他第一次能够将这些模型与离子在电解液中运动的实时数据进行比较。
他说：“多年来，我们一直在写关于电池内部发生的事情的论文，因为我们看不到电池内部的东西。”我总是开玩笑说我说的一定是真的，因为我们无法证实。因此，几十年来，我们一直在寻找这样的信息，这对像我这样做出预测的人构成了挑战。”
斯里尼瓦桑说，在过去，研究电池内部工作原理的最好方法是通过电池发送电流，然后分析随后发生的情况。他说，实时跟踪离子运动的能力为科学家们提供了一个改变这种运动以满足他们电池设计需要的机会。
“我们以前必须把这些点连接起来，现在我们可以直接检测到离子，”他说这一点不含糊。
埃里克杜弗雷恩，阿贡的X射线科学部门的物理学家，是参与这个项目的APS科学家之一。这篇论文的作者杜弗雷恩说，这项实验利用了APS上可用的相干性，使得研究团队能够捕捉到他们所寻找的速度，低至每秒只有纳米的速度。
“这是一项非常彻底和复杂的研究，”他说这是一个以新颖的方式结合X射线技术的好例子，也是朝着开发未来应用迈出的一大步。”
Dufresne和他的同事们还指出，只有当APS的电子储存环正在进行升级时，这些实验才会有所改善，这将使它产生的X射线的亮度提高500倍。
“APS的升级将使我们能够将这些动态研究推进到比微秒更好的水平，”Dufresne说我们将能够聚焦光束进行更小的测量，并通过较厚的材料。升级将使我们拥有独特的能力，我们将能够进行更多此类试验。”
这是一个让研究小组兴奋的前景。Steinrück说，下一步是分析更复杂的聚合物和其他材料，最终形成液体电解质。托尼说，他想检查其他类型物质的离子，比如钙和锌。
斯里尼瓦桑说，研究材料的多样性对最终目标很重要：精确设计用于个人用途的电池。
他说：“如果我们想制造出高能、快速、安全、耐用的电池，我们需要更多地了解离子运动。我们需要更多地了解电池内部的情况，并利用这些知识从下到上设计新材料。”
