創(chuàng)新的電池研究人員已經(jīng)破解了密碼，可以在循環(huán)時(shí)為有前途但喜怒無常的鋰金屬電池創(chuàng)建實(shí)時(shí)3D圖像。瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的一個(gè)研究小組成功地觀察了電池中的鋰金屬在充電和放電時(shí)的行為。

新方法可能有助于我們未來汽車和設(shè)備中具有更高容量和安全性的電池。

“我們已經(jīng)打開了一扇新窗口，以便了解 - 并從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看優(yōu)化 - 未來的鋰金屬電池。當(dāng)我們能夠準(zhǔn)確地研究電池中的鋰在循環(huán)過程中會(huì)發(fā)生什么時(shí)，我們就會(huì)獲得影響其內(nèi)部工作的重要知識(shí)，“查爾姆斯物理系教授Aleksandar Matic說，他是最近發(fā)表在Nature Communications上的科學(xué)研究的負(fù)責(zé)人。

人們寄予厚望，新的電池概念，如鋰金屬電池，將能夠取代今天的鋰離子電池。我們的目標(biāo)是開發(fā)更節(jié)能、更安全的電池，使我們以更低的成本在財(cái)務(wù)和環(huán)境方面走得更遠(yuǎn)。固態(tài)電池、鋰硫電池和鋰氧電池被認(rèn)為是有前途的替代品。所有這些概念都建立在電池陽極由鋰金屬而不是當(dāng)今電池中的石墨組成的想法之上。沒有石墨，電池電芯會(huì)更輕，并且以鋰金屬為陽極也可以使用高容量正極材料。這使得可以實(shí)現(xiàn)三到五倍的能量密度。

鋰形成不需要的微觀結(jié)構(gòu)

然而，鋰金屬電池有一個(gè)關(guān)鍵問題：當(dāng)電池充電或放電時(shí)，鋰并不總是像應(yīng)有的那樣平坦光滑地沉積。通常，它形成苔蘚狀的微結(jié)構(gòu)或樹突，長(zhǎng)針狀結(jié)構(gòu)，沉積的部分鋰可以變得孤立，然后失去活性。樹突也有到達(dá)另一個(gè)電池電極并導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)。因此，了解這些結(jié)構(gòu)何時(shí)、如何以及為何形成至關(guān)重要。

“為了能夠在下一代電池中使用這項(xiàng)技術(shù)，我們需要了解電池如何受到電流密度、電解質(zhì)選擇和循環(huán)次數(shù)等因素的影響。現(xiàn)在我們有一個(gè)工具可以做到這一點(diǎn)，“查爾姆斯研究員Matthew Sadd說，他是這項(xiàng)新研究的負(fù)責(zé)人，和他的同事Shizhao Xiong一起。

興奮等待第一眼

觀察工作電池中鋰微結(jié)構(gòu)形成的實(shí)驗(yàn)是在瑞士蘇黎世郊外的瑞士光源進(jìn)行的。在令人窒息的期待中，研究人員準(zhǔn)備了一種專門設(shè)計(jì)的電池，用于使用X射線斷層掃描顯微鏡實(shí)時(shí)和3D研究鋰沉積的時(shí)間。盡管許多研究人員想在工作電池中研究鋰金屬，但據(jù)研究小組所知，沒有人能夠做到這一點(diǎn)。如果他們成功了，與在細(xì)胞循環(huán)后分析圖像相比，這將是向前邁出的重要一步。

“當(dāng)我們親眼看到它在第一次嘗試時(shí)就起作用了，這真是太神奇了，”馬蒂奇說。“當(dāng)我們觀察到鋰形成巨大的結(jié)構(gòu)，如巨大的針頭時(shí)，幾乎就像在登月項(xiàng)目中一樣。長(zhǎng)期以來，我們一直希望實(shí)時(shí)觀察電池的內(nèi)部工作原理?，F(xiàn)在我們可以了。

大規(guī)模使用的關(guān)鍵拼圖

現(xiàn)在，研究小組的目標(biāo)是在其他電池概念上測(cè)試該技術(shù)，希望必要的成像技術(shù)能夠在離家更近的地方使用，例如在瑞典MAX IV實(shí)驗(yàn)室，這是一個(gè)用于高級(jí)X射線實(shí)驗(yàn)的國家研究機(jī)構(gòu)。

“我們期待開發(fā)這種方法，以更高的分辨率進(jìn)行更快的測(cè)量，以便在沉積過程的早期看到更詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，”Matic說。“這是能夠大規(guī)模使用鋰金屬電池并使其安全的關(guān)鍵拼圖。許多研究團(tuán)隊(duì)和公司正在為他們未來的原型尋找鋰金屬概念。