美國SLAC采用同步光源技術研究鋰電池相變換過程

劉蘭蘭

電池材料的性能在很大程度上取決于電化學反應過程中材料結構的演變和化學變化。因此，解決空間依賴反應通道的問題可以啟發對機理的認識，并能促成可充電電池材料的合理設計。該研究中，研究人員通過光譜和三維成像考察了鋰離子電池負極材料（即氧化鎳納米片）在多種荷電狀態下的相演變全景圖。研究人員還重建了三維鋰化/脫鋰的正面，并發現，在完全浸入電解液的情況下，相轉化可以從材料相同板上較遠的位置集結。此外，鋰化氧化鎳的體系結構是一個彎曲的多孔金屬框架。而且，研究人員觀察到負極-電解質相界面在充電和放電過程中的動態演變。該研究的意義有：解決一般的電化學驅動相變（例如嵌入反應）的不均勻性問題，以及大尺寸電池電極電荷分布不均勻的起因問題。

在該項研究中，高科技的“智能窗”為響應電流會變暗以過濾掉陽光，功能很像電池。斯坦福直線加速器中心(SLAC)對X射線的研究可以非常清晰地觀察到這些窗口的變色材料如何在工作電池中反應——這些信息可能有益于下一代可充電電池的研發。

研究人員使用的智能窗口材料為氧化鎳超薄片，作為鋰離子電池負極，并使用SLAC斯坦福同步輻射光源(SSRL)和其它實驗室的設備以研究其變化的化學特性和3D特性。圖1顯示了鋰離子扣式電池的組成部分，包括氧化鎳超薄片作為電極組件，從頂部到底部，電池組件包括：負極帽，彈簧，墊圈，鋰負極，墊圈，隔膜，裝有氧化鎳納米片的網柵，工作電極和正極帽。圖2顯示了氧化鎳納米片電池的循環性能。

“我們將注意力從改變這些材料的顏色轉變到用其存儲鋰離子，但原理是一樣的。”勞倫斯伯克利國家實驗室的Feng Lin說，他也是該研究發表在《自然通訊》雜志上論文的主要作者。

圖1 一種鋰離子扣式電池的組成部分

圖2 NiO納米片電池的循環性能

智能窗有多層玻璃，夾有超薄膜或這些材料的納米晶體涂層，如氧化鎳。當施加小電場時，電荷通過玻璃移動到超薄材料中，這種超薄材料被用作電極，并且該窗口由清晰變為黑暗。

早期研究發現，這些特別的薄材料與周圍玻璃的相互作用導致的結構變化會促進電荷透過玻璃的流動，這也是一種有利于電池的屬性。

在這項研究中，用氧化鎳作為電池電極，使研究人員能夠第一次看到當電池的鋰離子與氧化鎳層相接觸時所發生的反應，以及所產生的反應如何從幾個不同的點向外擴散，圖3顯示了鋰離子與瑞士干酪狀的氧化鎳超薄片是如何相互反應的，這種氧化鎳超薄片在鋰離子電池中曾作為電極材料，箭頭顯示了在充電循環中鋰離子與納米片的反應如何同時在多個正面上向外擴散。圖4顯示了電池工作之前、放電時、充電時以及一個放電和充電的完整周期之后，用作鋰離子電池電極的超薄氧化鎳片的瑞士干酪狀結構，藍色箭頭表示在電池工作過程中通過該材料擴散的化學反應方向。

圖3 鋰離子與瑞士干酪狀的氧化鎳超薄片的相互反應圖

“開始像一個種子，”該研究的合作者SSRL研究員Tsu-Chien Weng說，“然后，有幾個不同的面進行反應，并最終形成一個金屬框架。”

此外，研究人員觀察到當電池充電和放電時，氧化鎳材料表面是如何“呼吸”的。“我們發現該層在表面上生長、構建，”參加該項研究的SSRL研究員Dennis Nord lund說，“然后，該層消失，幾乎完全消失，就像一個呼吸層。這不一定要具體到氧化鎳，而是對電池材料具有廣泛的影響。”

“這種周期性形成的電解質沉淀物，通常被稱為電極-電解質界面，是大多數電池材料的組成部分，但已成為一個小小的謎，”Nordlund說，“因為對于電池工作過程中的研究通常具有挑戰性。”

圖4 用作鋰離子電池電極的超薄氧化鎳片的瑞士干酪狀結構

在典型的鋰離子電池中，電池充電時充電鋰離子通過化學溶液（電解質）遷移到負極，當電池放電時遷移到稱為正極的反向電極。

因為在氧化鎳材料上觀察到的呼吸層開始積聚，然后消失，這可能潛在地限制“樹突”的生長，也就是鋰的樹狀指狀物，在其它類型的電池材料上形成，并損害電池性能。

“如果能夠循環并消除該層，那么它就不會隨著時間的推移而建立，這將是一個巨大的進步。”Nord lund說。

研究人員使用SSRL的稱為X-射線吸收光譜的技術在電池的工作過程中在深約5～50 nm（或十億分之一米）處觀測了氧化鎳材料。

“事實證明，不同的探測深度非常適合于研究電池材料表面的電子結構，”Nordlund說，并補充說，“SSRL的這些功能為探索活性狀態的多種材料建立了窗口。使用同樣的方法解決了很多能源科學的不同問題，這使我們真的感到了其獨特的優勢。”

參與該項研究的科羅拉多礦業學院的化學教授Ryan Richards說：“SLAC和其他合作實驗室的探索性的X射線工具在對研究納米級氧化鎳材料的屬性方面已經變得很重要。我們已經提交了多項建議來研究不同類型的材料——它們是如何形成的，表面有什么性質。”

該SSRL研究結果聯合了來自合作者的其他調查結果，包括在布魯克海文國家實驗室制作的詳細3D圖像和影像。布魯克海文實驗室的Huolin Xin組織了研究團隊，其中還包括來自美國國家可再生能源實驗室和澳大利亞莫納什大學的科學家。