借助X射線，研究人員發現了影響固態電池壽命的原因

固態電池在佐治亞理工學院設計的定制硬件中充放電

X 射線對于大家來說再熟悉不過了，它已經廣泛的應用于生活中的各個方面，比如在醫院做胸透檢查，再比如進地鐵、高鐵、機場的安檢等等。借助 X 射線，可以讓我們在不破壞物體的前提下看到了其內部結構。

作為未來極具潛質的新型電池品類 —— 固態電池迅速進入人們的視野。固態電池是相對于目前廣泛應用的液態電池而言的，比如手機使用的電池，也叫鋰離子電池，它就屬于液態電池。相較于液態電池，固態電池在安全性、能量密度、充放電效率等各個方面都有很大的飛躍。

液態電池的技術已經相當成熟了，其內部有液體電解質，鋰離子在正極和負極之間的移動形成電流。然而固態電池使用固體材料來取代現有鋰離子電池中易燃的液體電解質，那它的充放電過程是怎么樣的呢？想要深度研究固態電池，借助 X 射線或許是一種可行的方法。

用X 射線斷層掃描重建電池內固體電解質界面三維視圖

研究小組使用特殊 X 射線探究固態電池內部

最近，來自 Argonne 國家實驗室的一個研究小組便借助 X 射線讓固態電池充電 / 放電過程得以展現出來。如下圖所示，一塊固態電池正在通過佐治亞理工學院設計的定制硬件進行充電和放電。

研究小組使用美國能源部 Argonne 國家實驗室先進光子源（APS）的超亮 X 射線，使用一個大約 2 毫米寬的圓柱形電池，觀察了固態電池在充放電過程中材料的內部轉化，能夠在電池充電和放電過程中捕捉到結構變化的三維圖像。

Argonne 國家實驗室 X 射線科學部門的組長 Francesco De Carlo 說：“這種 X 射線的主要特點是超高的靈敏度和非常快的速度，正是基于這些特性才使得這項研究成為可能。”“射線的靈敏性幫助研發小組區分具有相似密度的電池內部的相位，而射線的速度使他們能夠在電池內部的變化過程中捕捉到變化。”他補充說。

這些清晰的圖像揭示了固體電解質界面上電極材料的動態變化如何確定固態電池的性能。研究人員發現，電池工作導致界面上形成的微小空隙，大小可達 1微米～2 微米，比人類頭發絲的直徑還要小約 50 倍，這就造成了接觸不良，而這也是導致電池失效的主要原因。

佐治亞理工學院材料科學與工程學院助理教授 Matthew McDowell 表示：“我們能夠準確了解界面處空隙的形成方式和位置，然后將其與電池性能聯系起來。這項工作提供了對電池內部情況的基本了解，這些信息對于指導工程工作至關重要，而這些工程工作將在未來幾年里推動固態電池實現商業化。”

循環壽命是阻礙固態電池發展的一大障礙

如今，鋰離子電池廣泛應用于從移動電子到電動汽車等幾乎各個領域。在鋰電池內部，液體電解質均勻地覆蓋在電極上，允許鋰離子自由移動。而固態電池技術取而代之的是使用固體電解質，這將有助于提高能量密度以及提高電池的安全性。但是從電極上移除鋰會在界面處產生空隙，導致可靠性問題，從而限制電池的使用壽命。

McDowell 說：“為了解決這個問題，可以想象通過不同的沉積過程來創建結構化的界面，以保障在循環過程中保持接觸。這些接口的結構控制和工程設計對于將來的固態電池開發將非常重要，我們在這里學到的知識可以幫助我們設計接口。”

由 Jack Lewis 領導的佐治亞理工學院研究小組專門建造了特殊的測試單元，在 APS 的光束線上進行研究。與此同時，研究小組的四名成員在為期五天的密集實驗中，利用 X 射線計算機斷層掃描技術研究了固態電池結構的變化。

McDowell 說：“我們在給固態電池充電和放電的時候進行成像，以觀察電池工作時電池內部的變化。儀器從不同方向拍攝圖像，然后用計算機算法重建圖像，以提供固態電池隨時間推移的三維圖像。”

由于鋰非常輕，因此用 X 射線對其成像可能具有一定的挑戰性，并且需要對測試電池進行特殊設計。Argonne 所使用的技術類似于醫學計算機斷層掃描（CT）所使用的技術。

由于測試的局限性，研究人員只能在一個循環周期內觀察電池的結構。在未來的工作中，McDowell 希望了解在其他循環周期中會發生什么，以及該結構是否以某種方式適應空隙的產生和填充。研究人員認為，這一結果可能會應用于其他電解質配方，并且表征技術可用于獲取有關其他電池工藝的信息。

Francesco De Carlo 則表示：“下一步可能采用納米斷層成像技術，它使用更緊密聚焦的 X 射線束，并可以提供電池中更小的空隙（如果它們在工作期間形成）的照片，而且在 APS 上也可以使用此技術。”

電動汽車電池組

電動汽車的電池組在預計 15萬英里的使用壽命內必須能承受至少 1000 次充放電循環。雖然帶有鋰金屬電極的固態電池可以為特定尺寸的電池提供更多的能量，但除非能提供足夠長的使用壽命，否則這種優勢將無法克服現有技術。

對此，McDowell 表示：“我們對固態電池的技術前景感到非常興奮，在這個領域有很大的商業和科學興趣，這項研究的信息將有助于推動這項技術走向廣泛的商業應用。”

（摘自美《深科技》）（編輯/華生）