鉅大LARGE | 點擊量：698次 | 2021年12月15日
科學家提出可精確測量電池內電荷數量的方案 為新型電池的研究奠定基礎
未來的交通工具是電動汽車、卡車和飛機。但單電池設計不可能為未來提供動力。甚至你的手機和筆記本電腦的電池也有不同的要求和不同的設計。未來幾十年我們需要的電池必須根據其具體用途進行調整。
這意味著要盡可能準確地了解每種電池內部的情況。每一個電池的工作原理都是一樣的：離子是帶電荷的原子或分子，它通過一種叫做電解液的材料，把電流從陽極帶到陰極，然后再返回。但是它們在這種物質中的精確運動，無論是液體還是固體，已經讓科學家們困惑了幾十年。準確地了解不同類型的離子是如何通過不同類型的電解質的，這將有助于研究人員找出如何影響這種運動，從而制造出最適合其特定用途的充放電電池。
在一項突破性的發現中，一組科學家展示了一種技術組合，可以精確測量通過電池的離子。利用美國能源部（DOE）位于美國能源部阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLaboratory）的高級光子源（AdvancedPhotonSource，簡稱APS），這些研究人員不僅在電池工作時觀察電池內部，實時測量反應，還為不同類型電池的類似實驗打開了大門。
研究人員與阿貢領導的能源部能源創新中心聯合儲能研究中心（JCESR）合作研究這一結果。該小組的論文詳細描述了鋰離子在聚合物電解質中的移動速度，發表在《能源與環境科學》上。
這篇論文的第一作者、德國帕德伯恩大學教授漢斯·格奧爾格·斯坦魯克說：“這是一種測量速度和濃度的不同實驗方法的組合，然后將它們與理論進行比較。”我們證明了這是可能的，現在我們將在其他性質不同的系統上執行它。”
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這些方法在APS的beamline8-ID-I上進行，包括使用超亮X射線測量離子在電池中移動的速度，并在模型電池放電時同時測量電解液中的離子濃度。研究小組隨后將他們的結果與數學模型進行了比較。他們的結果是一個非常精確的數字，代表離子攜帶的電流，也就是所謂的傳輸數。
輸運數基本上是正電荷離子所攜帶的電流與總電流的關系，研究小組的計算結果表明這個數字大約為0.2。研究人員說，由于這種測量離子運動的新方法的敏感性，這一結論與其他方法得出的結論不同。
科羅拉多大學博爾德分校教授、該論文作者邁克爾·托尼（MichaelToney）表示，多年來，真正的價值傳遞數一直是科學家們爭論的話題。進行這項研究時，托尼和斯坦魯克都是美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家。
“傳統的測量運輸量的方法是分析電流，”托尼說但目前還不清楚有多少電流是由鋰離子引起的，還有多少是由其他你不想在分析中用到的東西引起的。原理很簡單，但我們必須精確測量。這無疑是一個概念的證明。”
在這個實驗中，研究小組使用固體聚合物電解質，而不是廣泛用于鋰離子電池的液體電解質。正如托尼所說，聚合物更安全，因為它們避免了一些液體電解質的易燃性問題。
阿貢的VenkatSrinivasan是JCESR的副主任，也是這篇論文的作者，他有豐富的經驗來模擬電池內部的反應，但這是他第一次能夠將這些模型與離子在電解液中運動的實時數據進行比較。
他說：“多年來，我們一直在寫關于電池內部發生的事情的論文，因為我們看不到電池內部的東西。”我總是開玩笑說我說的一定是真的，因為我們無法證實。因此，幾十年來，我們一直在尋找這樣的信息，這對像我這樣做出預測的人構成了挑戰。”
斯里尼瓦桑說，在過去，研究電池內部工作原理的最好方法是通過電池發送電流，然后分析隨后發生的情況。他說，實時跟蹤離子運動的能力為科學家們提供了一個改變這種運動以滿足他們電池設計需要的機會。
“我們以前必須把這些點連接起來，現在我們可以直接檢測到離子，”他說這一點不含糊。
埃里克杜弗雷恩，阿貢的X射線科學部門的物理學家，是參與這個項目的APS科學家之一。這篇論文的作者杜弗雷恩說，這項實驗利用了APS上可用的相干性，使得研究團隊能夠捕捉到他們所尋找的速度，低至每秒只有納米的速度。
“這是一項非常徹底和復雜的研究，”他說這是一個以新穎的方式結合X射線技術的好例子，也是朝著開發未來應用邁出的一大步。”
Dufresne和他的同事們還指出，只有當APS的電子儲存環正在進行升級時，這些實驗才會有所改善，這將使它產生的X射線的亮度提高500倍。
“APS的升級將使我們能夠將這些動態研究推進到比微秒更好的水平，”Dufresne說我們將能夠聚焦光束進行更小的測量，并通過較厚的材料。升級將使我們擁有獨特的能力，我們將能夠進行更多此類試驗。”
這是一個讓研究小組興奮的前景。Steinrück說，下一步是分析更復雜的聚合物和其他材料，最終形成液體電解質。托尼說，他想檢查其他類型物質的離子，比如鈣和鋅。
斯里尼瓦桑說，研究材料的多樣性對最終目標很重要：精確設計用于個人用途的電池。
他說：“如果我們想制造出高能、快速、安全、耐用的電池，我們需要更多地了解離子運動。我們需要更多地了解電池內部的情況，并利用這些知識從下到上設計新材料。”
