现在，美国能源部布鲁克海文国家实验室和斯托尼布鲁克大学的研究人员利用X射线绘制了这种不断变化的原子结构，并揭示了它与电池放电率的关系。这项研究于2015年1月8日在线发表在“科学”杂志上，表明电池寿命早期的放电速度缓慢，可以创建更加统一和扩展的导电网络，这表明了新的设计方法和优化技术。

“凭借对电池阴极放电过程的深入了解，我们可以针对解决与电源和效率相关的电池问题的新材料，”研究合着者EstherTakeuchi说道，他是纽约州立大学溪流大学杰出教授，布鲁克海文实验室基础科学家首席科学家能源科学理事会。

科学家在布鲁克海文实验室的国家同步加速器光源(NSLS)-美国能源部科学用户设施办公室-使用明亮的X射线光束，用锂二氧化钒(Ag2VP2O8)电极探测锂电池。这种有前景的阴极材料可用于植入式医疗器械，具有高稳定性，高电压和自发基质的形成，是研究的核心。

“实验工作-特别是完全包裹在不锈钢中的电池中的原位X射线衍射-应该对工业有用，因为它可以穿透原型和生产级电池，以跟踪它们在运行期间的结构演变，”竹内说过。

进入矩阵

由于这些一次性电池-由StonyBrook研究生DavidBock合成和组装-放电，存储在阳极中的锂离子传播到阴极，沿途取代银离子。然后，置换的银与自由电子和未使用的阴极材料结合，形成导电银金属基质，充当否则阻碍电子流动的导管。

“为了可视化电池内的阴极过程并观察银网络的形成，我们需要一个非常精确的系统，其具有能够穿透钢制电池外壳的高强度X射线，”研究合着者和StonyBrook大学研究副教授艾米说。Marschilok。“所以我们转向NSLS。”

NSLS的能量色散X射线衍射(EDXRD)提供了这种实时-原位-可视化数据。在EDXRD中，强烈的X射线束穿过样品，随着电池结构弯曲光束而损失能量。每组检测到的光束角度，如延时图像，显示出移动化学作为电池放电的函数。

布鲁克海文实验室的科学家钟忠表示：“银的形态在不到10纳米的粒子中，衍射图案既密集又微弱。”他在NSLS的X射线实验中进行了关键对准。

收集数据后，BrookhavenLab博士后研究员和研究合着者KevinKirshenbaum领导了数据分析工作。

“这种分析和解释需要相当多的时间和专业知识，但结果可能令人惊叹，”Kirshenbaum说。

用银写的惊喜

在大多数电池中，锂离子扩散的速度决定了放电速率，这是整体性能和效率的关键因素。最靠近锂阳极的材料通常首先放电，因为离子具有较短的行进距离。在一个令人惊讶的发现中，研究人员发现，距离阳极最远且距离纽扣电池表面最近的材料首先在电池中放电。

“这是因为未放电的阴极材料是非常差的导电体，因此锂离子扩散的电阻小于电子流的电阻，”合着者和纽约州立大学杰出教学教授KennethTakeuchi说。“这突出了原位银基质形成的独特有效方面：银基质主要在需要的地方形成，这比使用导电添加剂更有效。”

将原位衍射数据与术后应用的两种技术相结合：X射线吸收光谱(XAS)和角度分辨X射线衍射(XRD)。

光谱学可以揭示精确的化学反应，因为每种元素都能独特地吸收和发射光，但XAS使用的X射线不能穿透电池外壳。因此，在放电的每个步骤之后，研究人员取出阴极并将其研磨成粉末以测量平均元素组成。布法罗大学的Chia-YingLee准备了用于初始非原位测量的还原阴极材料。

“这些技术提供了补充数据：原位衍射显示了银在阴极内形成的位置，而光谱则更精确地显示了形成了多少银，”EstherTakeuchi说。

更亮的灯和更好的电池

NSLS于2014年9月结束了为期32年的实验，但其强大的继任者已经在布鲁克海文实验室获取数据。国家同步加速器光源II(NSLS-II)提供的光束比NSLS亮10,000倍，原位能量研究是其使命的主要部分。NSLS-II也是DOE科学用户设施办公室，很快将欢迎来自工业界，学术界和其他国家实验室的用户。

“我们目前正在开发其他形成导电网络的材料，并希望将它们作为功能细胞进行研究，”Takeuchi说。“NSLS-II更明亮的光束和更大的空间分辨率将成为研究其他阴极并推动这项技术发展的重要工具。”