“如果你有一部手机，你可能需要每天为电池充电，因为电池电极的容量有限，”斯托尼布鲁克大学的纽约州立大学杰出教授，能源科学理事会首席科学家EstherTakeuchi说。在布鲁克海文实验室。“这项研究的结果可以帮助开发更快，充电时间更长的电池。”

可视化纳米尺度的电池

每个锂离子电池内部都是粒子，其原子排列成一个晶格-一个周期结构，原子之间有间隙。当锂离子电池供电时，锂离子流入原子晶格中的空位。

“以前，科学家们认为锂的浓度会在晶格中不断增加，”布鲁克海文可持续能源技术部科学家张伟说。“但现在，我们已经看到，当电池的电极由纳米尺寸的颗粒制成时，情况可能并非如此。我们观察到纳米粒子局部区域内的锂浓度上升，然后下降-它反转。”

电极通常由纳米颗粒制成，以增加电池的功率密度。但是由于观察它们在行动中工作的能力有限，科学家们还无法完全理解这些电极的功能。现在，通过独特的实验工具组合，科学家们能够实时对电极内部的反应进行成像。

类似于海绵吸水的方式，我们可以看到锂的整体水平在纳米尺寸的颗粒内不断增加，“这项研究的负责人和布鲁克海文可持续能源技术部科学家王峰表示。”但不像水锂可能会优先从某些区域移出，从而在晶格上产生不一致的锂含量。“

科学家解释说，锂的不均匀运动可能会产生持久的破坏性影响，因为它会使电池中活性物质的结构变形并导致疲劳失效。

“在锂进入晶格之前，它的结构非常均匀，”王说。“但是一旦锂进入，它会拉伸晶格，当锂熄灭时，晶格会收缩。因此，每次充电和放电时，其有源元件都会受到压力，其质量会随着时间的推移而降低。因此，它对于表征和了解锂浓度在空间和时间上的变化非常重要。“

结合贸易工具

为了进行这些观察，科学家们在功能纳米材料中心(CFN)，布鲁克海文实验室的DOE科学用户设施办公室和布鲁克海文的凝聚态物理和材料科学中进行了透射电子显微镜(TEM)实验。部门-在国家同步加速器光源(NSLS)进行X射线分析，该机构是布鲁克海文的DOE科学办公室用户设施，于2014年关闭，当时其继任者NSLS-II开放。

“王的团队将TEM与X射线技术结合起来，”该研究的合着者，布鲁克海文实验室的高级物理学家朱一梅说。“这两种方法都使用类似的方法来分析材料的结构，但可以提供补充信息。电子对局部结构敏感，而X射线可以探测更大的体积并实现更好的统计。”

Brookhaven团队还开发了一种纳米级模型电池，可以模拟“适合”TEM的锂离子电池的功能。在密歇根大学进行的计算机模拟进一步证实了令人惊讶的结论。

“我们最初认为逆转机制类似于之前提出的那些机制，这些机制源于附近粒子之间的相互作用，”密歇根大学安娜堡分校材料科学与工程教授KatsuyoThornton表示，他领导了理论研究。。“然而，事实证明，单个粒子内的浓度逆转不能用现有理论来解释，而是由不同的机制产生。模拟在这项工作中至关重要，因为没有它们，我们就会得出错误的结论。“

虽然这项研究主要集中在锂离子电池上，但科学家表示观察到的这种现象也可能出现在其他高性能电池化学中。

“在未来的道路上，我们计划利用CFN和NSLS-II的世界级设施，更密切地检查电池材料的工作原理，并找到可以更快，更长时间充电的新电池的解决方案，”王说。“这些设施提供了理想的工具，可以在真实条件下实时成像电池材料的结构。