借助X 射線，研究人員發(fā)現(xiàn)了影響固態(tài)電池壽命的原因

X 射線對于大家來說再熟悉不過了，它已經(jīng)廣泛的應用于生活中的各個方面，比如在醫(yī)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。

作為未來極具潛質(zhì)的新型電池品類—— 固態(tài)電池迅速進入人們的視野。固態(tài)電池是相對于目前廣泛應用的液態(tài)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(tài)電池。相較于液態(tài)電池，固態(tài)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(tài)電池的技術(shù)已經(jīng)相當成熟了，其內(nèi)部有液體電解質(zhì)，鋰離子在正極和負極之間的移動形成電流。然而固態(tài)電池使用固體材料來取代現(xiàn)有鋰離子電池中易燃的液體電解質(zhì)，那它的充放電過程是怎么樣的呢？想要深度研究固態(tài)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(nèi)固體電解質(zhì)界面三維視圖

研究小組使用特殊X 射線探究固態(tài)電池內(nèi)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(tài)電池充電/ 放電過程得以展現(xiàn)出來。如下圖所示，一塊固態(tài)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(tài)電池在充放電過程中材料的內(nèi)部轉(zhuǎn)化，能夠在電池充電和放電過程中捕捉到結(jié)構(gòu)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(fā)小組區(qū)分具有相似密度的電池內(nèi)部的相位，而射線的速度使他們能夠在電池內(nèi)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(zhì)界面上電極材料的動態(tài)變化如何確定固態(tài)電池的性能。研究人員發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(lián)系起來。這項工作提供了對電池內(nèi)部情況的基本了解，這些信息對于指導工程工作至關(guān)重要，而這些工程工作將在未來幾年里推動固態(tài)電池實現(xiàn)商業(yè)化。”

循環(huán)壽命是阻礙固態(tài)電池發(fā)展的一大障礙

電動汽車電池組

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(lǐng)域。在鋰電池內(nèi)部，液體電解質(zhì)均勻地覆蓋在電極上，允許鋰離子自由移動。而固態(tài)電池技術(shù)取而代之的是使用固體電解質(zhì)，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(chǎn)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(chuàng)建結(jié)構(gòu)化的界面，以保障在循環(huán)過程中保持接觸。這些接口的結(jié)構(gòu)控制和工程設計對于將來的固態(tài)電池開發(fā)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(lǐng)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(shù)研究了固態(tài)電池結(jié)構(gòu)的變化。

McDowell 說：“我們在給固態(tài)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(nèi)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(tài)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(zhàn)性，并且需要對測試電池進行特殊設計。Argonne 所使用的技術(shù)類似于醫(yī)學計算機斷層掃描（CT）所使用的技術(shù)。

由于測試的局限性，研究人員只能在一個循環(huán)周期內(nèi)觀察電池的結(jié)構(gòu)。在未來的工作中，McDowell 希望了解在其他循環(huán)周期中會發(fā)生什么，以及該結(jié)構(gòu)是否以某種方式適應空隙的產(chǎn)生和填充。研究人員認為，這一結(jié)果可能會應用于其他電解質(zhì)配方，并且表征技術(shù)可用于獲取有關(guān)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(shù)，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(shù)。”

電動汽車的電池組在預計15 萬英里的使用壽命內(nèi)必須能承受至少1000次充放電循環(huán)。雖然帶有鋰金屬電極的固態(tài)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(yōu)勢將無法克服現(xiàn)有技術(shù)。

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