电池内锂离子运动的三维影像出炉

2010-10-12 09:32 来源: 中国科学院
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有助于研发更高效能的电池

  美国橡树岭国家实验室的科学家近日在其网站上称,借助一种新型扫描探针显微镜,他们成功绘制出了锂离子在锂电池负极周围运动的影像,这有助于研究人员研发出更高效能的电池。相关研究发表在最新一期的《自然·纳米技术》杂志上。

  尼娜·巴尔克、斯蒂芬·杰西和谢尔盖·加里宁3人领导了这项研究,他们开发出了一种新型扫描探针显微镜—电子应力显微镜(ESM)。该显微镜能够在纳米尺度上对电池内部的粒子运动进行观察,并绘制出三维图像,其精确度比现有的扫描探针显微镜要高出6个至7个数量级。

  加里宁称,研究人员对位于电池表面的ESM探针施加了电压,并通过测量相应的电化学应变或体积变化,获得了锂离子的运动图像。传统技术往往只对电流进行分析,但由于电流极其微弱,难以测量,从而无法将精度提高至纳米级。

  锂离子电池是目前最常用的一种电池系统,由于其重量轻、能量密度高,具有较好的充电性能,从手机到电动车都可见其身影。而目前,研究人员一般通过改变电池组件的材料或对电极厚度进行微调来提高其电气性能。

  巴尔克指出,我们希望能够从纳米尺度理解正常电池与失效电池间的差异。通过ESM成像,我们可对电池电极中一个单独的晶粒、晶粒团簇或者瑕疵进行检查。这些纳米现象通常都需要与电池整体性能联系起来进行研究,有时,纳米尺度上一个小小的改变都将对电池的整体效能产生巨大影响。例如,通过对高分辨率扫描图像进行分析,我们发现,如果锂离子更多集中在电极晶粒的边缘,就将导致电极开裂,最终导致电池失效。

  虽然这项研究主要集中在锂离子电池上,但该团队预计,该技术未来也应能用于其他类型的电池以及电子设备的研究当中。研究人员表示,这种方法为大尺寸扫描探头的应用开创了先例,未来他们还将对其进行进一步的完善,以使其能够适应更为复杂的材料。该技术在包括电池在内的多个研究领域中都有极为广泛的应用价值。