3D电池内部强大的X射线观看固态电池的充电和放电

尽管锂电池已在全球范围内使用，但其运行的确切动态仍然难以捉摸。X射线被证明是查看这些电池内部实时查看变化的有力工具。Laboratory)的能源部(DOE)科学用户设施办公室的先进光子源(APS)的超亮X射线，观察了固态内部材料的内部演化锂电池充电和放电。这种详细的3-D信息可能有助于提高电池的可靠性和性能，这些电池使用固体材料代替现有锂离子电池中的易燃液体电解质。

使用小型(大约2毫米宽)的圆柱形电池，APS光束线2-BM的研究人员能够捕获电池充放电循环期间发生的结构变化的3D图像。

Argonne X射线科学部门的组长，论文的共同作者弗朗切斯科·德卡洛(Francesco De Carlo)说：“使这项研究成为可能的光束线的主要特征是高灵敏度和极快的速度。” “灵敏性帮助团队区分了密度相似的电池内部各相，并且速度使他们能够在过程不断发展的同时捕获电池内部的变化。”

这些清晰的图像揭示了锂/固体电解质界面上电极材料的动态变化如何确定固态电池的性能。研究人员发现，电池操作会在界面上形成微小的空隙，形成的微小空隙(最大可分辨为1-2微米，比人发的宽度小50倍)，这是造成接触不良的主要原因。电池故障。

该论文的作者马修·麦克道威尔(Matthew McDowell)说：“这项工作提供了对电池内部发生情况的基本理解，并且信息对于指导工程工作将在未来几年内将这些电池推向商业现实更重要。”佐治亚理工学院乔治W.伍德拉夫机械工程学院和材料科学与工程学院的助理教授。“我们能够准确了解界面处空隙的形成方式和位置，然后将其与电池性能联系起来。”

该研究于1月28日发表在《自然材料》杂志上。

在锂离子电池中的广泛使用一切从移动电子现在电动车辆依靠液体电解质进行离子期间的充电和放电循环后的电池内的电极之间来回。液体均匀地覆盖电极，使离子自由移动。

快速发展的固态电池技术改为使用固态电解质，这应有助于提高能量密度并提高未来电池的安全性。但是，从电极上去除锂会在界面处产生空隙，从而导致可靠性问题，从而限制电池的使用寿命。

McDowell说：“为了解决这个问题，您可以想象通过不同的沉积过程创建结构化的界面，以尝试在循环过程中保持接触。” 这些接口结构的谨慎控制和工程设计对于将来的固态电池开发将非常重要，我们在这里学到的知识可以帮助我们设计接口。”

由第一作者和研究生杰克·刘易斯(Jack Lewis)领导的佐治亚理工学院研究小组建造了特殊的测试单元，旨在在APS的光束线2-BM上进行研究。该团队的四名成员使用X射线计算机断层扫描在为期五天的密集实验中研究了电池结构的变化。

McDowell说：“该仪器从不同方向拍摄图像，然后使用计算机算法对其进行重构，以提供电池的3D图像。” “我们在对电池充电和放电时进行了成像，以可视化电池在运行过程中的变化情况。”

由于锂是如此轻，因此用X射线对其成像可能具有挑战性，并且需要对测试电池进行特殊设计。Argonne所使用的技术类似于医学计算机断层扫描(CT)扫描所使用的技术。他说：“我们不是在给人们成像，而是给电池成像。”

由于测试的局限性，研究人员只能在一个周期内观察电池的结构。在未来的工作中，McDowell希望了解在其他周期中会发生什么，以及该结构是否以某种方式适应空隙的产生和填充。研究人员认为，该结果可能会应用于其他电解质配方，并且表征技术可用于获取有关其他电池工艺的信息。

德卡洛还指出，下一步可能是纳米断层照相术，它使用更紧密聚焦的X射线束，并可以提供电池中更小的空隙(如果它们在运行期间形成)的照片。在APS处也可以使用此技术。

电动汽车的电池组在预计的150,000英里的使用寿命中必须承受至少一千次循环。尽管带有锂金属电极的固态电池可以为给定尺寸的电池提供更多的能量，但除非能提供可比的使用寿命，否则这种优势将无法克服现有技术。

麦克道尔说：“我们对固态电池的技术前景感到非常兴奋。” “在这个领域有很大的商业和科学兴趣，从这项研究中获得的信息应有助于将该技术推向广泛的商业应用。”

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