X射线有助于揭示固态电池的充放电过程

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X射线有助于揭示固态电池的充放电过程

在X线断层摄影术的帮助下，科学家首次观察到固态电池充放电时内部物质的变化情况。

观察结果发表在周四的《自然材料》杂志上，这一重大突破或将帮助研究人员开发出更高效的固态电池材料。

在实验过程中，研究人员利用原位同步X线计算机微断层扫描的复杂成像技术，来观察锂和固态电解质交界处电极材料的变化情况。

这些前所未有的图像显示，充放电过程会导致交界处出现空腔，从而阻止锂与固态电解质接触，引发电池故障。

在一篇新闻中，该研究的第一作者马修·麦克道尔（Matthew McDowell）表示：“这项工作能从根本上了解电池的内部情况，这对指导工程作业十分重要。在未来几年内，这些电池或将更具商业价值。”

麦克道尔还是乔治亚理工学院（Georgia nstitute of Technology）机械工程专业的助理教授。他还表示：“我们已十分清楚界面空腔的形成位置和机理，以及其对电池性能的影响。”

从智能手机到电动汽车，所有的锂离子电池都是使用液态电解质在电极间传输离子。而固态电池则使用固态电解质。

目前，固态电池的充放电效率无法与锂离子电池相媲美，但其有自身的优势：更高的能量密度、不易爆炸和起火。

要想制造出能替代锂离子电池的高效固态电池，必须阻止界面空腔扩大，提高固态电池的可靠性。

与同样大小的锂离子电池相比，固态电池可提供更多的能量，但续航能力较为逊色。在固态电池中，空腔通常会将锂和电极分隔开，从而影响电池的寿命和商业价值。

麦克道尔表示：“为解决这个问题，我们可以通过不同的沉积过程来创建结构化界面，从而尽量使两者在电池循环过程中保持接触。”

他还指出：“创建并控制好电池的界面结构对固态电池的未来发展至关重要，而当前的研究成果正好能帮助我们做到这一点”。

先进光子源是芝加哥郊外阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的一个同步加速器设备。而为了在研究中使用该成像技术进行监测，乔治亚理工学院的工程师制造出了一对固态实验电池。

在一周的时间里，科学家利用该设备的同步X线计算机微断层扫描成像技术观察到了固态电池充放电时内部电极材料的变化情况。

麦克道尔称：“该设备可使用计算机算法重建电池随时间推移的3D图像，从而实现多角度成像。我们在电池充放电时重建了这个图像，以观察电池内部的变化情况。”

在实验中，研究人员只能观察到电池单次充放电的变化情况。对此，他们表示，希望在接下来的实验中能观察到多次充放电过程中的结构性变化。

深入了解了固态电池界面空腔的形成机理后，该研究团队表示，希望开发新材料、提出新方案来提高固态电池的可靠性。

麦克道尔表示：“固态电池的技术前景令我们十分激动，这一领域有着巨大的商业和科学价值，这项研究成果将有助于推动固态电池技术的商用。”

——文中图片来源：

陈思源

李晨圆

高 欢

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