用X射线观察锂离子充放电过程变化 有助于提高电池可靠性和性能

一个研究小组利用X射线断层成像技术，观察了固态锂电池在充放电过程中材料的内部演变。研究中获得的详细三维信息有助于提高电池的可靠性和性能，这种电池使用固体材料取代现有锂离子电池中的易燃液体电解质。

同步辐射X射线计算机显微层析成像揭示了锂/固体电解质界面电极材料的动态变化如何决定固态电池的行为。研究人员发现，电池运行会导致界面上形成空洞，从而造成接触损失，这是导致电池失效的主要原因。

乔治伍德拉夫机械工程学院和乔治亚理工学院材料科学与工程学院的助理教授MatthewMcDowell说：“这项工作提供了对电池内部情况的基本了解，这些信息对于指导工程工作非常重要，这些工程工作将在未来几年推动这些电池更接近商业现实。我们能够准确地了解界面上空洞的形成方式和位置，然后将其与电池性能联系起来。”

这项研究由国家科学基金会、斯隆研究基金会和空军科学研究办公室支持，将于1月28日发表在《自然材料》杂志上。

锂离子电池现在广泛应用于从移动电子到电动汽车的各个领域，在充放电循环中，锂离子电池依靠液体电解质在电池的电极之间来回携带离子。液体均匀地覆盖在电极上，允许离子自由移动。

快速发展的固态电池技术取而代之的是使用固体电解质，这将有助于提高能量密度，提高未来电池的安全性。但是从电极上移除锂会在界面上产生空隙，导致可靠性问题，从而限制电池的工作时间。

用X射线断层扫描重建电池内锂/固体电解质界面的三维视图

麦克道尔说：“为了解决这个问题，你可以想象通过不同的沉积过程来创造结构化的界面，试图在循环过程中保持接触。仔细控制和设计这些接口结构对未来固态电池的发展将非常重要，我们在这里学到的知识可以帮助我们设计接口。”

乔治亚理工大学的研究小组，由第一作者和研究生杰克·刘易斯领导，建造了宽约两毫米的特殊测试单元，设计用于在先进光子源（位于芝加哥附近的美国能源部科学办公室阿贡国家实验室的同步加速器设施）进行研究。研究小组的四名成员在为期五天的强化实验中研究了电池结构的变化。

麦克道尔说：“该仪器从不同方向拍摄图像，然后用计算机算法重建图像，以提供电池随时间推移的三维图像。我们在给电池充电和放电的时候做了这个成像，以观察电池工作时电池内部的变化。”

因为锂很轻，用X射线成像很有挑战性，需要对测试电池进行特殊设计。阿贡使用的技术类似于用于医学计算机断层扫描（CT）的技术。“我们不是给人成像，而是给电池成像。”

由于测试的局限性，研究人员只能通过一次循环观察电池的结构。在未来的工作中，麦克道尔希望看到在额外的循环中会发生什么，以及结构是否以某种方式适应空洞的产生和填充。研究人员认为，这一结果可能适用于其他电解液配方，而且这种表征技术可以用来获取有关其他电池工艺的信息。

电动汽车的电池组在预计150000英里的使用寿命内必须至少能承受1000次循环。虽然带有锂金属电极的固态电池可以为特定尺寸的电池提供更多的能量，但这一优势无法克服现有技术，除非它们能够提供相当的寿命。