包括來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師的一個(gè)全球性的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了固態(tài)電池內(nèi)的納米級(jí)變化，這可以為提高電池效率提供新的見(jiàn)解。通過(guò)利用計(jì)算機(jī)模擬和X射線實(shí)驗(yàn)，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(dòng)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(dòng)增加更多的阻礙了鋰離子的移動(dòng)。這些發(fā)現(xiàn)于4月27日發(fā)表在《自然-材料》上，可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)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(gè)主要問(wèn)題是，鋰離子的運(yùn)動(dòng)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?yàn)槲覀儾恢涝谶@兩種固體之間的界面上到底發(fā)生了什么，這項(xiàng)工作為觀察這類(lèi)界面提供了一個(gè)新的顯微鏡。通過(guò)看到鋰離子在做什么，了解它們?nèi)绾卧陔姵刂幸苿?dòng)，我們可以開(kāi)始設(shè)計(jì)方法，讓它們更有效地來(lái)回移動(dòng)。"該研究的共同第一作者托德-帕斯卡爾說(shuō)，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(dòng)力和能源中心的成員。

在這項(xiàng)研究中，帕斯卡爾與他的長(zhǎng)期合作者、加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)教授Michael Zuerch合作，開(kāi)發(fā)了一種直接探測(cè)界面上鋰離子的技術(shù)。在過(guò)去的三年里，這兩個(gè)小組一直致力于開(kāi)發(fā)一種全新的光譜方法，用于探測(cè)埋藏的功能性界面，如電池中存在的界面。帕斯卡爾的實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)了理論工作，而祖爾奇的實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)工作。

他們開(kāi)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(duì)于探測(cè)材料內(nèi)部深處的鋰離子很有用，但在界面上卻沒(méi)有。因此，研究人員使用了第二種方法，稱(chēng)為二次諧波生成，它可以專(zhuān)門(mén)識(shí)別界面上的原子。它涉及到用兩個(gè)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(gè)高能狀態(tài)，稱(chēng)為雙激發(fā)態(tài)。這種激發(fā)狀態(tài)不會(huì)持續(xù)很久，這意味著電子最終會(huì)回到它們的基態(tài)，并釋放出吸附的能量，隨后作為信號(hào)被檢測(cè)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(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的信號(hào)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(shuō)。

研究人員在一個(gè)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(yàn)證他們看到的信號(hào)確實(shí)來(lái)自于界面，研究人員根據(jù)帕斯卡爾研究小組開(kāi)發(fā)的方法進(jìn)行了一系列的計(jì)算機(jī)模擬。當(dāng)研究人員比較實(shí)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)幾乎完全匹配。

研究報(bào)告的共同第一作者薩薩瓦-賈姆努奇說(shuō)："理論工作使我們能夠填補(bǔ)空白，并使我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中看到的信號(hào)更加清晰，但是該理論的一個(gè)更大的優(yōu)勢(shì)是我們可以用它來(lái)回答更多的問(wèn)題。例如，為什么這些信號(hào)會(huì)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(guò)了博士論文答辯。

解開(kāi)界面上的離子運(yùn)動(dòng)

Jamnuch和Pascal將這項(xiàng)工作向前推進(jìn)了一步。他們對(duì)固體電解質(zhì)中的鋰離子的動(dòng)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(dòng)發(fā)生在電解質(zhì)界面，與材料其他部分的振動(dòng)相比，這些振動(dòng)進(jìn)一步限制了鋰離子的移動(dòng)。

"這是這項(xiàng)研究的主要發(fā)現(xiàn)之一，我們能夠用理論來(lái)提取，"Jamnuch說(shuō)。電池研究人員長(zhǎng)期以來(lái)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(dòng)。現(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(shuō)："實(shí)際上，在這種材料的界面上，對(duì)離子運(yùn)動(dòng)有一些內(nèi)在的阻力。鋰離子通過(guò)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(dòng)的功能。"

他將離子運(yùn)動(dòng)的障礙描述為類(lèi)似于一個(gè)球在一個(gè)墻壁也在移動(dòng)的房間內(nèi)彈跳時(shí)的經(jīng)歷。

他說(shuō)："想象一下，一個(gè)房間的后面有一個(gè)球，而這個(gè)球正試圖向前面移動(dòng)，現(xiàn)在還可以想象，房間的兩側(cè)也在移動(dòng)，來(lái)回移動(dòng)，這導(dǎo)致球從一側(cè)反彈到另一側(cè)。總的能量是守恒的，所以如果球從側(cè)面反彈得更多，那么它從后面到前面的運(yùn)動(dòng)就會(huì)更少。換句話說(shuō)，兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)速度越快，球花在反彈上的時(shí)間就越多，到前面的時(shí)間就越長(zhǎng)。同樣，在這些固態(tài)電池中，鋰離子穿過(guò)材料的路徑受到材料本身在界面上的振動(dòng)頻率比在體積上的振動(dòng)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(dòng)，鋰擴(kuò)散通過(guò)界面仍然會(huì)有阻力。"

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

審核編輯 ：李倩