通過(guò)更好地了解鋰電池工作的復(fù)雜性，科學(xué)家們可以找到改善其性能的方法。而來(lái)自劍橋大學(xué)的科學(xué)家們，剛剛開發(fā)出了一款強(qiáng)大的新工具。在昨日發(fā)表于《自然》雜志的研究論文中，其介紹了針對(duì)《電池中單粒離子動(dòng)力學(xué)的可操作光學(xué)追蹤》。這套新穎且低成本的顯微技術(shù)，首次為我們揭示了鋰離子的微觀工作。

研究配圖 - 1：LCO 電極的電化學(xué)性能與干涉散射顯微鏡

研究團(tuán)隊(duì)希望此類觀察結(jié)果，有助于加速智能機(jī) / 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的研發(fā)，讓未來(lái)的我們可以用上只需極短的時(shí)間，即可完成充電的新型電池。

論文合著者、來(lái)自劍橋大學(xué)的 Christopher Schnedermann 博士表示：“優(yōu)質(zhì)電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏?、或者更快的充電速度，但在理想的情況下，我們希望兼而有之”。

研究配圖 - 2：電池運(yùn)行期間，活性例子的光學(xué)響應(yīng)。

不過(guò)在使用新材料打造更好用的電池之前，我們需要對(duì)現(xiàn)有的電池加以改進(jìn)，并深入了解其內(nèi)部到底發(fā)生了什么。

尷尬的是，目前只有使用昂貴、復(fù)雜的設(shè)備，才能達(dá)到這一目的 —— 比如動(dòng)用電子顯微鏡、或者極其強(qiáng)大的同步加速 X 射線機(jī)（其強(qiáng)度是典型 X 射線機(jī)的數(shù)十萬(wàn)倍）。

研究配圖 - 3：脫鋰 / 鋰化時(shí)的雙相相變行為

研究一作 Alice Merryweather 解釋稱，對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，想要研究鋰電池在現(xiàn)實(shí)世界條件下真實(shí)發(fā)生的內(nèi)部過(guò)程，那樣也算不上是一種切實(shí)可行的方法。

“基本上，你必須讓顯微鏡同時(shí)做兩件事 —— 除了觀察電池在數(shù)小時(shí)內(nèi)的充放電，還需要非常迅速地捕捉電池內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程”。

研究配圖 - 4：施加各種電流密度下的雙相相變行為

為取得突破，劍橋大學(xué)科學(xué)家們利用了一種被稱作干涉散射顯微鏡的成像技術(shù)。通過(guò)分析參考光束與散射光的相互作用，即可對(duì)微小物體進(jìn)行同步測(cè)量和成像。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)得以實(shí)時(shí)對(duì)鈷酸鋰電極內(nèi)的單個(gè)粒子進(jìn)行成像，并且揭示了一些有趣的行為。比如在充放電過(guò)程中，鋰離子在進(jìn)出時(shí)發(fā)生相變的顆粒邊界（這點(diǎn)與設(shè)備的充電率有很大關(guān)系）。

研究配圖 - 5：Li0.5CoO2 組成的單斜畸變動(dòng)力學(xué)（有無(wú)形成域的對(duì)比）

通過(guò)簡(jiǎn)單地觀察這種機(jī)制，并設(shè)法對(duì)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行操縱，也是我們向著提升電池性能而邁出的重要一步。帶領(lǐng)這項(xiàng)研究的 Akshay Rao 博士稱：

“我們發(fā)現(xiàn)鋰離子電池有不同的速度限制，且這取決于它是在充電還是放電。比如在充電過(guò)程中，其速率取決于鋰離子通過(guò)活性材料顆粒的速度。而在放電時(shí)，它又取決于例子在邊緣進(jìn)入的速度”。