X射线揭示了导致锂离子电池材料失效的隐藏特性

在过去的三十年中，锂离子电池，可充电电池可以来回移动锂离子进行充电和放电，从而使更小的设备能够更快地加速并延长使用寿命。

现在，能源部SLAC国家加速器实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的X射线实验表明，锂离子通过普通电池材料的路径比以前认为的要复杂得多。结果纠正了材料的二十多年的假设，并将有助于改善电池设计，可能导致新一代锂离子电池。

由SLAC斯坦福材料与能源科学研究所的教授科学家William Chueh和斯坦福材料科学教授领导的国际研究团队今天在Nature Materials上发表了这些研究结果。

麻省理工学院教授，​​另一位研究负责人马丁·巴赞特说：“以前，它有点像黑盒子。” “你可以看到材料效果很好，某些添加剂似乎有所帮助，但是你无法确切知道锂离子在这个过程的每个步骤中的位置。你只能尝试开发一种理论并从测量中反向工作。通过新的仪器和测量技术，我们开始对这些事物的实际运作方式有了更严格的科学理解。“

'爆米花效应'

任何乘坐电动公交车，使用电动工具或使用无绳真空吸尘器的人都可能获得他们研究的电池材料磷酸铁锂的好处。它还可用于带内燃机的汽车的启停功能以及电网中风能和太阳能的存储。更好地了解这种材料和其他类似材料可以带来更快速充电，更持久和更耐用的电池。但直到最近，研究人员才能猜测允许其发挥作用的机制。

当锂离子电池充电和放电时，锂离子从液体溶液流入固体储存器。但是一旦进入固体，锂就会重新排列，有时会使材料分裂成两个不同的阶段，就像混合在一起时油和水分离一样。这导致Chueh所说的“爆米花效应”。离子聚集成热点，最终缩短电池寿命。

在这项研究中，研究人员使用两种X射线技术来探索锂离子电池的内部工作原理。在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)上，他们从磷酸铁锂样品中反射X射线，以显示其原子和电子结构，让他们了解锂离子在材料中的移动方式。在伯克利实验室的高级光源(ALS)中，他们使用X射线显微镜放大了这一过程，使他们能够绘制锂浓度随时间变化的情况。

上游游泳

以前，研究人员认为磷酸铁锂是一维导体，这意味着锂离子只能通过大部分材料向一个方向传播，就像鲑鱼在上游游泳一样。

但是在筛选他们的数据时，研究人员注意到锂在材料表面上的移动方向完全不同于以前的模型。就好像有人在溪流表面上扔了一片叶子，发现水流动的方向与游泳鲑鱼完全不同。

他们与英国巴斯大学化学教授Saiful Islam合作开发计算机模型和系统模拟。这些揭示了锂离子在材料表面上沿另外两个方向移动，使得磷酸铁锂成为三维导体。

“事实证明，这些额外的途径对于材料来说是有问题的，促使爆米花状的行为导致其失败，”Chueh说。“如果锂可以在表面上移动得更慢，那么它将使电池更均匀。这是开发更高性能和更持久电池的关键。”

电池工程的新领域

尽管过去二十年来磷酸铁锂已经存在，但直到几年前才能在纳米级和电池运行期间研究它。

“这解释了材料的这种重要特性如何长期被忽视，”李益阳说，他曾在斯坦福大学和SLAC担任研究生和博士后实验工作。“随着新技术的出现，人们总会发现一些新的有趣的材料，这些材料让你对它们的看法有所不同。”

这项工作是Bazant，Chueh和其他几位科学家合作的第一篇论文之一，作为丰田研究院资助的研究中心的一部分，该研究中心利用理论和机器学习来设计和解释高级实验。

Bazant说，这些最新发现创造了一个更复杂的故事，理论家和工程师将来必须考虑这个故事。

“它进一步证明了设计锂离子电池表面真正是新领域的论点，”他说。“我们已经发现并开发了一些最好的散装材料。而且我们已经看到锂离子电池仍在以非常显着的速度发展：它们不断变得越来越好。这项研究正在推动尝试的稳步推进实际工作的技术。我们正在建立一个重要的知识基础，可以添加到电池工程师的工具包中，因为他们试图开发更好的材料。“

跨越不同的尺度

为了跟进这项研究，研究人员将继续将建模，模拟和实验结合起来，尝试通过SLAC的Linac相干光源或LCLS等设施，了解许多不同长度和时间尺度的电池性能基本问题。能够探测在时间尺度上发生的单个离子跃变，其速度可达一万亿分之一秒。

Chueh说：“开发锂离子电池技术的障碍之一是涉及的长度和时间范围都很大。” “关键过程可能会在一瞬间或多年内发生。前进的路径需要将这些过程映射到从米一直到原子运动的长度。在SLAC，我们正在研究所有这些的电池材料将这种与建模和实验相结合的确是使这种理解成为可能的原因。“

除了SLAC，斯坦福大学，伯克利实验室，麻省理工学院和巴斯大学之外，合作还包括斯洛文尼亚国家化学研究所和卢布尔雅那大学的研究人员。

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