納米級變化揭示了提高固態(tài)電池性能的線索

包括來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師的一個全球性的科學(xué)家團(tuán)隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了固態(tài)電池內(nèi)的納米級變化，這可以為提高電池效率提供新的見解。通過利用計算機(jī)模擬和X射線實驗，研究人員能夠詳細(xì)地"看到"為什么鋰離子在固體電解質(zhì)中移動速度緩慢，特別是在電解質(zhì)和電極之間的界面。

研究表明，與材料的其他部分相比，接口處的振動增加更多的阻礙了鋰離子的移動。這些發(fā)現(xiàn)于4月27日發(fā)表在《自然-材料》上，可能會導(dǎo)致開發(fā)新的方法來改善固態(tài)電池的離子傳導(dǎo)性。

固態(tài)電池包含由固體材料制成的電解質(zhì)，它有希望比使用易燃液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)鋰離子電池更安全、更持久、更高效。

但是這些電池的一個主要問題是，鋰離子的運動受到更多限制，特別是在電解質(zhì)與電極接觸的地方。

"我們制造更好的固態(tài)電池的能力受到了阻礙，因為我們不知道在這兩種固體之間的界面上到底發(fā)生了什么，這項工作為觀察這類界面提供了一個新的顯微鏡。通過看到鋰離子在做什么，了解它們?nèi)绾卧陔姵刂幸苿?，我們可以開始設(shè)計方法，讓它們更有效地來回移動。"該研究的共同第一作者托德-帕斯卡爾說，他是納米工程和化學(xué)工程教授，也是加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院可持續(xù)動力和能源中心的成員。

在這項研究中，帕斯卡爾與他的長期合作者、加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)教授Michael Zuerch合作，開發(fā)了一種直接探測界面上鋰離子的技術(shù)。在過去的三年里，這兩個小組一直致力于開發(fā)一種全新的光譜方法，用于探測埋藏的功能性界面，如電池中存在的界面。帕斯卡爾的實驗室領(lǐng)導(dǎo)了理論工作，而祖爾奇的實驗室領(lǐng)導(dǎo)了實驗工作。

他們開發(fā)的新技術(shù)結(jié)合了兩種既定的方法。第一種是X射線吸附光譜學(xué)，它涉及到用X射線束擊中一種材料以確定其原子結(jié)構(gòu)。這種方法對于探測材料內(nèi)部深處的鋰離子很有用，但在界面上卻沒有。因此，研究人員使用了第二種方法，稱為二次諧波生成，它可以專門識別界面上的原子。它涉及到用兩個連續(xù)的高能粒子脈沖擊中原子--在這種情況下，是特定能量的高強(qiáng)度X射線束，這樣電子就能達(dá)到一個高能狀態(tài)，稱為雙激發(fā)態(tài)。這種激發(fā)狀態(tài)不會持續(xù)很久，這意味著電子最終會回到它們的基態(tài)，并釋放出吸附的能量，隨后作為信號被檢測到。這里的關(guān)鍵是，只有某些原子，如界面上的原子可以進(jìn)行這種雙重激發(fā)。因此，從這些實驗中檢測到的信號將必然而且只提供關(guān)于在界面上發(fā)生的事情的信息，帕斯卡爾解釋說。

研究人員在一個模型固態(tài)電池上使用了這種技術(shù)，該電池由兩種常用的電池材料組成：作為固體電解質(zhì)的鑭系鈦酸鋰和作為陰極的氧化鈷鋰。

為了驗證他們看到的信號確實來自于界面，研究人員根據(jù)帕斯卡爾研究小組開發(fā)的方法進(jìn)行了一系列的計算機(jī)模擬。當(dāng)研究人員比較實驗和計算數(shù)據(jù)時，他們發(fā)現(xiàn)這些信號幾乎完全匹配。

研究報告的共同第一作者薩薩瓦-賈姆努奇說："理論工作使我們能夠填補空白，并使我們在實驗中看到的信號更加清晰，但是該理論的一個更大的優(yōu)勢是我們可以用它來回答更多的問題。例如，為什么這些信號會以這樣的方式出現(xiàn)？"他是帕斯卡爾研究小組的一名納米工程博士生，最近通過了博士論文答辯。

解開界面上的離子運動

Jamnuch和Pascal將這項工作向前推進(jìn)了一步。他們對固體電解質(zhì)中的鋰離子的動態(tài)進(jìn)行建模，并發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的東西。他們發(fā)現(xiàn)，高頻振動發(fā)生在電解質(zhì)界面，與材料其他部分的振動相比，這些振動進(jìn)一步限制了鋰離子的移動。

"這是這項研究的主要發(fā)現(xiàn)之一，我們能夠用理論來提取，"Jamnuch說。電池研究人員長期以來一直懷疑固體電解質(zhì)和電極材料之間的不相容性限制了鋰離子在界面的移動?，F(xiàn)在，Jamnuch、帕斯卡爾及其同事表明，還有其他東西在起作用。

帕斯卡爾說："實際上，在這種材料的界面上，對離子運動有一些內(nèi)在的阻力。鋰離子通過的障礙不僅僅是兩種固體材料在機(jī)械上相互不兼容的功能，它也是材料本身振動的功能。"

他將離子運動的障礙描述為類似于一個球在一個墻壁也在移動的房間內(nèi)彈跳時的經(jīng)歷。

他說："想象一下，一個房間的后面有一個球，而這個球正試圖向前面移動，現(xiàn)在還可以想象，房間的兩側(cè)也在移動，來回移動，這導(dǎo)致球從一側(cè)反彈到另一側(cè)?？偟哪芰渴鞘睾愕模匀绻驈膫?cè)面反彈得更多，那么它從后面到前面的運動就會更少。換句話說，兩側(cè)的運動速度越快，球花在反彈上的時間就越多，到前面的時間就越長。同樣，在這些固態(tài)電池中，鋰離子穿過材料的路徑受到材料本身在界面上的振動頻率比在體積上的振動頻率高的影響。因此，即使電解質(zhì)和電極材料之間有完美的兼容性，由于這些高頻振動，鋰擴(kuò)散通過界面仍然會有阻力。"

這一計算工作讓研究人員為未來的固態(tài)電池設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。"一個想法是減緩固體電解質(zhì)材料界面的振動，"Jamnuch說。"比如說，可以通過在界面上摻入重元素來做到這一點。現(xiàn)在我們對鋰離子如何通過這個系統(tǒng)有了更多的了解，我們可以合理地設(shè)計新的系統(tǒng)，使離子更容易通過，我們發(fā)現(xiàn)了可以轉(zhuǎn)動的新旋鈕，優(yōu)化這些系統(tǒng)的新方法。"

審核編輯 ：李倩