未來的交通工具是電動汽車、卡車和飛機(jī)。但單電池設(shè)計不可能為未來提供動力。甚至你的手機(jī)和筆記本電腦的電池也有不同的要求和不同的設(shè)計。未來幾十年我們需要的電池必須根據(jù)其具體用途進(jìn)行調(diào)整。

這意味著要盡可能準(zhǔn)確地了解每種電池內(nèi)部的情況。每一個電池的工作原理都是一樣的：離子是帶電荷的原子或分子，它通過一種叫做電解液的材料，把電流從陽極帶到陰極，然后再返回。但是它們在這種物質(zhì)中的精確運(yùn)動，無論是液體還是固體，已經(jīng)讓科學(xué)家們困惑了幾十年。準(zhǔn)確地了解不同類型的離子是如何通過不同類型的電解質(zhì)的，這將有助于研究人員找出如何影響這種運(yùn)動，從而制造出最適合其特定用途的充放電電池。

在一項(xiàng)突破性的發(fā)現(xiàn)中，一組科學(xué)家展示了一種技術(shù)組合，可以精確測量通過電池的離子。利用美國能源部（DOE）位于美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ArgonneNationalLaboratory）的高級光子源（AdvancedPhotonSource，簡稱APS），這些研究人員不僅在電池工作時觀察電池內(nèi)部，實(shí)時測量反應(yīng)，還為不同類型電池的類似實(shí)驗(yàn)打開了大門。

研究人員與阿貢領(lǐng)導(dǎo)的能源部能源創(chuàng)新中心聯(lián)合儲能研究中心（JCESR）合作研究這一結(jié)果。該小組的論文詳細(xì)描述了鋰離子在聚合物電解質(zhì)中的移動速度，發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》上。

這篇論文的第一作者、德國帕德伯恩大學(xué)教授漢斯·格奧爾格·斯坦魯克說：“這是一種測量速度和濃度的不同實(shí)驗(yàn)方法的組合，然后將它們與理論進(jìn)行比較。”我們證明了這是可能的，現(xiàn)在我們將在其他性質(zhì)不同的系統(tǒng)上執(zhí)行它。”

這些方法在APS的beamline8-ID-I上進(jìn)行，包括使用超亮X射線測量離子在電池中移動的速度，并在模型電池放電時同時測量電解液中的離子濃度。研究小組隨后將他們的結(jié)果與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了比較。他們的結(jié)果是一個非常精確的數(shù)字，代表離子攜帶的電流，也就是所謂的傳輸數(shù)。

輸運(yùn)數(shù)基本上是正電荷離子所攜帶的電流與總電流的關(guān)系，研究小組的計算結(jié)果表明這個數(shù)字大約為0.2。研究人員說，由于這種測量離子運(yùn)動的新方法的敏感性，這一結(jié)論與其他方法得出的結(jié)論不同。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校教授、該論文作者邁克爾·托尼（MichaelToney）表示，多年來，真正的價值傳遞數(shù)一直是科學(xué)家們爭論的話題。進(jìn)行這項(xiàng)研究時，托尼和斯坦魯克都是美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。

“傳統(tǒng)的測量運(yùn)輸量的方法是分析電流，”托尼說但目前還不清楚有多少電流是由鋰離子引起的，還有多少是由其他你不想在分析中用到的東西引起的。原理很簡單，但我們必須精確測量。這無疑是一個概念的證明。”

在這個實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用固體聚合物電解質(zhì)，而不是廣泛用于鋰離子電池的液體電解質(zhì)。正如托尼所說，聚合物更安全，因?yàn)樗鼈儽苊饬艘恍┮后w電解質(zhì)的易燃性問題。

阿貢的VenkatSrinivasan是JCESR的副主任，也是這篇論文的作者，他有豐富的經(jīng)驗(yàn)來模擬電池內(nèi)部的反應(yīng)，但這是他第一次能夠?qū)⑦@些模型與離子在電解液中運(yùn)動的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

他說：“多年來，我們一直在寫關(guān)于電池內(nèi)部發(fā)生的事情的論文，因?yàn)槲覀兛床坏诫姵貎?nèi)部的東西。”我總是開玩笑說我說的一定是真的，因?yàn)槲覀儫o法證實(shí)。因此，幾十年來，我們一直在尋找這樣的信息，這對像我這樣做出預(yù)測的人構(gòu)成了挑戰(zhàn)。”

斯里尼瓦桑說，在過去，研究電池內(nèi)部工作原理的最好方法是通過電池發(fā)送電流，然后分析隨后發(fā)生的情況。他說，實(shí)時跟蹤離子運(yùn)動的能力為科學(xué)家們提供了一個改變這種運(yùn)動以滿足他們電池設(shè)計需要的機(jī)會。

“我們以前必須把這些點(diǎn)連接起來，現(xiàn)在我們可以直接檢測到離子，”他說這一點(diǎn)不含糊。

埃里克杜弗雷恩，阿貢的X射線科學(xué)部門的物理學(xué)家，是參與這個項(xiàng)目的APS科學(xué)家之一。這篇論文的作者杜弗雷恩說，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)利用了APS上可用的相干性，使得研究團(tuán)隊(duì)能夠捕捉到他們所尋找的速度，低至每秒只有納米的速度。

“這是一項(xiàng)非常徹底和復(fù)雜的研究，”他說這是一個以新穎的方式結(jié)合X射線技術(shù)的好例子，也是朝著開發(fā)未來應(yīng)用邁出的一大步。”

Dufresne和他的同事們還指出，只有當(dāng)APS的電子儲存環(huán)正在進(jìn)行升級時，這些實(shí)驗(yàn)才會有所改善，這將使它產(chǎn)生的X射線的亮度提高500倍。

“APS的升級將使我們能夠?qū)⑦@些動態(tài)研究推進(jìn)到比微秒更好的水平，”Dufresne說我們將能夠聚焦光束進(jìn)行更小的測量，并通過較厚的材料。升級將使我們擁有獨(dú)特的能力，我們將能夠進(jìn)行更多此類試驗(yàn)。”

這是一個讓研究小組興奮的前景。Steinrück說，下一步是分析更復(fù)雜的聚合物和其他材料，最終形成液體電解質(zhì)。托尼說，他想檢查其他類型物質(zhì)的離子，比如鈣和鋅。

斯里尼瓦桑說，研究材料的多樣性對最終目標(biāo)很重要：精確設(shè)計用于個人用途的電池。

他說：“如果我們想制造出高能、快速、安全、耐用的電池，我們需要更多地了解離子運(yùn)動。我們需要更多地了解電池內(nèi)部的情況，并利用這些知識從下到上設(shè)計新材料。”