在前景光明的鋰電池中，形成高導電性的銀基底將改變材料導電性較低的缺陷。為了優(yōu)化這些金屬電池并增大其電流，研究人員需要尋找方法觀察納米級銀材料“橋梁”是何時何處怎樣出現(xiàn)的。
現(xiàn)在，美國能源部（U.S. Department of Energy）布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）和石溪大學（Stony Brook University）的研究人員使用X射線詳細闡述了這一變化的原子結構，并揭示了此變化與電池放電率的關系。這一研究成果發(fā)表于2015年1月8日的Science雜志，研究結果表明電池早期極慢的放電速率將造成更一致更廣闊的導電網(wǎng)絡，也提出了一些新的設計方法和優(yōu)化技術。
本文的共同作者、石溪大學特聘教授、布魯克海文國家實驗室基礎能源科學理事會首席科學家Esther Takeuchi說：“將上述結果應用于電池陰極的放電過程，我們就能找到解決能源、效率等關鍵電池問題的新材料。”
研究人員使用布魯克海文國家實驗室國家同步輻射光源（NSLS，美國能源部科學辦公室用戶設施）中的X射線束，深入研究含有Ag2VP2O8電極的鋰電池特性。這是一種在植入式醫(yī)療器材中非常有前景的陰極材料，穩(wěn)定性極強、電壓高，并顯示出本研究關注的基底自發(fā)形成特性。
Takeuchi表示：“這一實驗研究，特別是完全包裹在不銹鋼中電池的原位X衍射實驗，在工業(yè)中將非常有用，因為它能深入了解電池原型和生產(chǎn)水平的電池，從而追蹤它們在使用過程中的結構變化。”
基底結構
實驗中的一次性電池由石溪大學研究生David Bock合成組裝。在電池的放電過程中，存儲在陽極的鋰離子將移動至陰極，逐漸取代銀離子。這些被取代的銀離子將與自由電子和未使用的陰極材料結合，從而形成導電的銀基底。
“為了展示電池中陰極的變化過程并觀測銀離子網(wǎng)絡的形成過程，我們需要非常精準且高強度的X射線從而穿透電池的鋼殼。”本文的共同作者之一、石溪大學副教授Amy Marchilok說道，“因此，我們需要借助于NSLS。”
▲ 圖片說明：美國布魯克海文國家實驗室和石溪大學的研究人員站在布魯克海文國家實驗室國家同步輻射光源II的XPD光束前，未來的很多實驗將基于此項研究。圖片來源：布魯克海文國家實驗室
通過NSLS的能散X射線衍射實驗（Energy dispersive x-ray diffraction），我們可以得到實時、原位的可視化數(shù)據(jù)。在實驗中，高強度的X射線光束照射樣品，隨著光束在電池結構中的折射，能量也逐漸損耗。
檢測每組光束角度（如延時圖像），可以揭示該電池放電這一化學過程。在本研究中負責NSLS的X射線實驗校準的科學家Zhong Zhong說：“銀粒子之間的間距小于10納米，因此衍射圖樣既稠密又微弱。”一旦采集到數(shù)據(jù)，實驗室的博士后研究人員和本研究的共同作者之一Kevin Kirshenbaum就將開始數(shù)據(jù)分析工作。Kirshenbaum表示：“這些數(shù)據(jù)的分析和解釋很耗時且專業(yè)性很強，不過其結果可能也會非常驚艷。”
銀的形成過程
在大多數(shù)電池中，鋰離子的擴散速度決定了放電速率，這也是整體性能和效率的關鍵因素之一。最靠近鋰電池陽極的材料將最開始放電，因為其需要的傳輸距離最短。而在研究中，研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)最遠離陽極、最靠近紐扣電池表面的材料在電池中最先放電。
“這是因為不放電的陰極材料電導率很小，因此鋰離子散射的阻力要比電流小。”紐約州立大學教授Kenneth Takeuchi說道，“這強調(diào)了原位銀基底形成過程中的獨特且有效的一個方面：這種銀基底主要在需要的地方形成，這要比使用導電劑更有效。”
該研究結合了原位衍射數(shù)據(jù)與其他兩種方法：X射線吸收光譜法（XAS）和角分辨X射線衍射法（XRD）。
因為每種元素都能以獨有的方式吸收和發(fā)射光，從而光譜能準確地揭示其化學特性，但是在XAS中使用的X射線不能穿過電池外殼。因此，在放電的每個階段后，研究人員都要將陰極移開，并將其研磨成粉末從而測量平均構成成分。來自紐約州立大學布法羅分校的Chia-Ying Lee負責制備還原型陰極材料，用以進行初步非原位測量。
Esther Takeuchi說：“通過這些方法，我們得到了一些互補性數(shù)據(jù)：原位散射實驗表明銀在陰極中形成，而光譜實驗結果則更清楚地展示了有多少銀形成。”
更明亮的光和更好的電池
NSLS在2014年9月結束了一項長達32年的實驗，但是后續(xù)實驗已由布魯克海文實驗室接手。國家同步輻射光源II所提供的光束要比NSLS亮10000倍，現(xiàn)在其主要的工作之一就是進行能量實驗。國家同步輻射光源II也是美國能源部科學辦公室用戶設施之一，將很快對工業(yè)、學術界和其他國家實驗室的用戶開放。
“我們現(xiàn)在正在致力于尋找其他可以形成導電網(wǎng)絡的材料，并可在電池中有效運行。”Takeuchi說道，“國家同步輻射光源II更亮的光束和更高的光譜分辨率將作為我們研究其他陰極材料和推動此技術發(fā)展的重要工具。”
現(xiàn)在，美國能源部（U.S. Department of Energy）布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）和石溪大學（Stony Brook University）的研究人員使用X射線詳細闡述了這一變化的原子結構，并揭示了此變化與電池放電率的關系。這一研究成果發(fā)表于2015年1月8日的Science雜志，研究結果表明電池早期極慢的放電速率將造成更一致更廣闊的導電網(wǎng)絡，也提出了一些新的設計方法和優(yōu)化技術。
本文的共同作者、石溪大學特聘教授、布魯克海文國家實驗室基礎能源科學理事會首席科學家Esther Takeuchi說：“將上述結果應用于電池陰極的放電過程，我們就能找到解決能源、效率等關鍵電池問題的新材料。”
研究人員使用布魯克海文國家實驗室國家同步輻射光源（NSLS，美國能源部科學辦公室用戶設施）中的X射線束，深入研究含有Ag2VP2O8電極的鋰電池特性。這是一種在植入式醫(yī)療器材中非常有前景的陰極材料，穩(wěn)定性極強、電壓高，并顯示出本研究關注的基底自發(fā)形成特性。
Takeuchi表示：“這一實驗研究，特別是完全包裹在不銹鋼中電池的原位X衍射實驗，在工業(yè)中將非常有用，因為它能深入了解電池原型和生產(chǎn)水平的電池，從而追蹤它們在使用過程中的結構變化。”
基底結構
實驗中的一次性電池由石溪大學研究生David Bock合成組裝。在電池的放電過程中，存儲在陽極的鋰離子將移動至陰極，逐漸取代銀離子。這些被取代的銀離子將與自由電子和未使用的陰極材料結合，從而形成導電的銀基底。
“為了展示電池中陰極的變化過程并觀測銀離子網(wǎng)絡的形成過程，我們需要非常精準且高強度的X射線從而穿透電池的鋼殼。”本文的共同作者之一、石溪大學副教授Amy Marchilok說道，“因此，我們需要借助于NSLS。”
▲ 圖片說明：美國布魯克海文國家實驗室和石溪大學的研究人員站在布魯克海文國家實驗室國家同步輻射光源II的XPD光束前，未來的很多實驗將基于此項研究。圖片來源：布魯克海文國家實驗室
通過NSLS的能散X射線衍射實驗（Energy dispersive x-ray diffraction），我們可以得到實時、原位的可視化數(shù)據(jù)。在實驗中，高強度的X射線光束照射樣品，隨著光束在電池結構中的折射，能量也逐漸損耗。
檢測每組光束角度（如延時圖像），可以揭示該電池放電這一化學過程。在本研究中負責NSLS的X射線實驗校準的科學家Zhong Zhong說：“銀粒子之間的間距小于10納米，因此衍射圖樣既稠密又微弱。”一旦采集到數(shù)據(jù)，實驗室的博士后研究人員和本研究的共同作者之一Kevin Kirshenbaum就將開始數(shù)據(jù)分析工作。Kirshenbaum表示：“這些數(shù)據(jù)的分析和解釋很耗時且專業(yè)性很強，不過其結果可能也會非常驚艷。”
銀的形成過程
在大多數(shù)電池中，鋰離子的擴散速度決定了放電速率，這也是整體性能和效率的關鍵因素之一。最靠近鋰電池陽極的材料將最開始放電，因為其需要的傳輸距離最短。而在研究中，研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)最遠離陽極、最靠近紐扣電池表面的材料在電池中最先放電。
“這是因為不放電的陰極材料電導率很小，因此鋰離子散射的阻力要比電流小。”紐約州立大學教授Kenneth Takeuchi說道，“這強調(diào)了原位銀基底形成過程中的獨特且有效的一個方面：這種銀基底主要在需要的地方形成，這要比使用導電劑更有效。”
該研究結合了原位衍射數(shù)據(jù)與其他兩種方法：X射線吸收光譜法（XAS）和角分辨X射線衍射法（XRD）。
因為每種元素都能以獨有的方式吸收和發(fā)射光，從而光譜能準確地揭示其化學特性，但是在XAS中使用的X射線不能穿過電池外殼。因此，在放電的每個階段后，研究人員都要將陰極移開，并將其研磨成粉末從而測量平均構成成分。來自紐約州立大學布法羅分校的Chia-Ying Lee負責制備還原型陰極材料，用以進行初步非原位測量。
Esther Takeuchi說：“通過這些方法，我們得到了一些互補性數(shù)據(jù)：原位散射實驗表明銀在陰極中形成，而光譜實驗結果則更清楚地展示了有多少銀形成。”
更明亮的光和更好的電池
NSLS在2014年9月結束了一項長達32年的實驗，但是后續(xù)實驗已由布魯克海文實驗室接手。國家同步輻射光源II所提供的光束要比NSLS亮10000倍，現(xiàn)在其主要的工作之一就是進行能量實驗。國家同步輻射光源II也是美國能源部科學辦公室用戶設施之一，將很快對工業(yè)、學術界和其他國家實驗室的用戶開放。
“我們現(xiàn)在正在致力于尋找其他可以形成導電網(wǎng)絡的材料，并可在電池中有效運行。”Takeuchi說道，“國家同步輻射光源II更亮的光束和更高的光譜分辨率將作為我們研究其他陰極材料和推動此技術發(fā)展的重要工具。”