在前景光明的鋰電池中，形成高導(dǎo)電性的銀基底將改變材料導(dǎo)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(jí)銀材料“橋梁”是何時(shí)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(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）和石溪大學(xué)（Stony Brook University）的研究人員使用X射線詳細(xì)闡述了這一變化的原子結(jié)構(gòu)，并揭示了此變化與電池放電率的關(guān)系。這一研究成果發(fā)表于2015年1月8日的Science雜志，研究結(jié)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，也提出了一些新的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化技術(shù)。
本文的共同作者、石溪大學(xué)特聘教授、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)能源科學(xué)理事會(huì)首席科學(xué)家Esther Takeuchi說：“將上述結(jié)果應(yīng)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(guān)鍵電池問題的新材料。”
研究人員使用布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室國家同步輻射光源（NSLS，美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)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(qiáng)、電壓高，并顯示出本研究關(guān)注的基底自發(fā)形成特性。
Takeuchi表示：“這一實(shí)驗(yàn)研究，特別是完全包裹在不銹鋼中電池的原位X衍射實(shí)驗(yàn)，在工業(yè)中將非常有用，因?yàn)樗苌钊肓私怆姵卦秃蜕a(chǎn)水平的電池，從而追蹤它們在使用過程中的結(jié)構(gòu)變化。”
基底結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)中的一次性電池由石溪大學(xué)研究生David Bock合成組裝。在電池的放電過程中，存儲(chǔ)在陽極的鋰離子將移動(dòng)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(jié)合，從而形成導(dǎo)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(luò)的形成過程，我們需要非常精準(zhǔn)且高強(qiáng)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(xué)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(shí)驗(yàn)室和石溪大學(xué)的研究人員站在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室國家同步輻射光源II的XPD光束前，未來的很多實(shí)驗(yàn)將基于此項(xiàng)研究。圖片來源：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室
通過NSLS的能散X射線衍射實(shí)驗(yàn)（Energy dispersive x-ray diffraction），我們可以得到實(shí)時(shí)、原位的可視化數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，高強(qiáng)度的X射線光束照射樣品，隨著光束在電池結(jié)構(gòu)中的折射，能量也逐漸損耗。
檢測每組光束角度（如延時(shí)圖像），可以揭示該電池放電這一化學(xué)過程。在本研究中負(fù)責(zé)NSLS的X射線實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)且專業(yè)性很強(qiáng)，不過其結(jié)果可能也會(huì)非常驚艷。”
銀的形成過程
在大多數(shù)電池中，鋰離子的擴(kuò)散速度決定了放電速率，這也是整體性能和效率的關(guān)鍵因素之一。最靠近鋰電池陽極的材料將最開始放電，因?yàn)槠湫枰膫鬏斁嚯x最短。而在研究中，研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)最遠(yuǎn)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?yàn)椴环烹姷年帢O材料電導(dǎo)率很小，因此鋰離子散射的阻力要比電流小。”紐約州立大學(xué)教授Kenneth Takeuchi說道，“這強(qiáng)調(diào)了原位銀基底形成過程中的獨(dú)特且有效的一個(gè)方面：這種銀基底主要在需要的地方形成，這要比使用導(dǎo)電劑更有效。”
該研究結(jié)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?yàn)槊糠N元素都能以獨(dú)有的方式吸收和發(fā)射光，從而光譜能準(zhǔn)確地揭示其化學(xué)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(gè)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(gòu)成成分。來自紐約州立大學(xué)布法羅分校的Chia-Ying Lee負(fù)責(zé)制備還原型陰極材料，用以進(jìn)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(bǔ)性數(shù)據(jù)：原位散射實(shí)驗(yàn)表明銀在陰極中形成，而光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)束了一項(xiàng)長達(dá)32年的實(shí)驗(yàn)，但是后續(xù)實(shí)驗(yàn)已由布魯克海文實(shí)驗(yàn)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(jìn)行能量實(shí)驗(yàn)。國家同步輻射光源II也是美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施之一，將很快對(duì)工業(yè)、學(xué)術(shù)界和其他國家實(shí)驗(yàn)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的材料，并可在電池中有效運(yùn)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(dòng)此技術(shù)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(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）和石溪大學(xué)（Stony Brook University）的研究人員使用X射線詳細(xì)闡述了這一變化的原子結(jié)構(gòu)，并揭示了此變化與電池放電率的關(guān)系。這一研究成果發(fā)表于2015年1月8日的Science雜志，研究結(jié)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，也提出了一些新的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化技術(shù)。
本文的共同作者、石溪大學(xué)特聘教授、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)能源科學(xué)理事會(huì)首席科學(xué)家Esther Takeuchi說：“將上述結(jié)果應(yīng)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(guān)鍵電池問題的新材料。”
研究人員使用布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室國家同步輻射光源（NSLS，美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)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(qiáng)、電壓高，并顯示出本研究關(guān)注的基底自發(fā)形成特性。
Takeuchi表示：“這一實(shí)驗(yàn)研究，特別是完全包裹在不銹鋼中電池的原位X衍射實(shí)驗(yàn)，在工業(yè)中將非常有用，因?yàn)樗苌钊肓私怆姵卦秃蜕a(chǎn)水平的電池，從而追蹤它們在使用過程中的結(jié)構(gòu)變化。”
基底結(jié)構(gòu)
實(shí)驗(yàn)中的一次性電池由石溪大學(xué)研究生David Bock合成組裝。在電池的放電過程中，存儲(chǔ)在陽極的鋰離子將移動(dòng)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(jié)合，從而形成導(dǎo)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(luò)的形成過程，我們需要非常精準(zhǔn)且高強(qiáng)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(xué)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(shí)驗(yàn)室和石溪大學(xué)的研究人員站在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室國家同步輻射光源II的XPD光束前，未來的很多實(shí)驗(yàn)將基于此項(xiàng)研究。圖片來源：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室
通過NSLS的能散X射線衍射實(shí)驗(yàn)（Energy dispersive x-ray diffraction），我們可以得到實(shí)時(shí)、原位的可視化數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，高強(qiáng)度的X射線光束照射樣品，隨著光束在電池結(jié)構(gòu)中的折射，能量也逐漸損耗。
檢測每組光束角度（如延時(shí)圖像），可以揭示該電池放電這一化學(xué)過程。在本研究中負(fù)責(zé)NSLS的X射線實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)的科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)且專業(yè)性很強(qiáng)，不過其結(jié)果可能也會(huì)非常驚艷。”
銀的形成過程
在大多數(shù)電池中，鋰離子的擴(kuò)散速度決定了放電速率，這也是整體性能和效率的關(guān)鍵因素之一。最靠近鋰電池陽極的材料將最開始放電，因?yàn)槠湫枰膫鬏斁嚯x最短。而在研究中，研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)最遠(yuǎn)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?yàn)椴环烹姷年帢O材料電導(dǎo)率很小，因此鋰離子散射的阻力要比電流小。”紐約州立大學(xué)教授Kenneth Takeuchi說道，“這強(qiáng)調(diào)了原位銀基底形成過程中的獨(dú)特且有效的一個(gè)方面：這種銀基底主要在需要的地方形成，這要比使用導(dǎo)電劑更有效。”
該研究結(jié)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?yàn)槊糠N元素都能以獨(dú)有的方式吸收和發(fā)射光，從而光譜能準(zhǔn)確地揭示其化學(xué)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(gè)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(gòu)成成分。來自紐約州立大學(xué)布法羅分校的Chia-Ying Lee負(fù)責(zé)制備還原型陰極材料，用以進(jìn)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(bǔ)性數(shù)據(jù)：原位散射實(shí)驗(yàn)表明銀在陰極中形成，而光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)束了一項(xiàng)長達(dá)32年的實(shí)驗(yàn)，但是后續(xù)實(shí)驗(yàn)已由布魯克海文實(shí)驗(yàn)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(jìn)行能量實(shí)驗(yàn)。國家同步輻射光源II也是美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施之一，將很快對(duì)工業(yè)、學(xué)術(shù)界和其他國家實(shí)驗(yàn)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的材料，并可在電池中有效運(yùn)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(dòng)此技術(shù)發(fā)展的重要工具。”