創(chuàng)新的電池研究人員已經破解了密碼，可以在循環(huán)時為有前途但喜怒無常的鋰金屬電池創(chuàng)建實時3D圖像。瑞典查爾姆斯理工大學的一個研究小組成功地觀察了電池中的鋰金屬在充電和放電時的行為。

新方法可能有助于我們未來汽車和設備中具有更高容量和安全性的電池。

“我們已經打開了一扇新窗口，以便了解 - 并從長遠來看優(yōu)化 - 未來的鋰金屬電池。當我們能夠準確地研究電池中的鋰在循環(huán)過程中會發(fā)生什么時，我們就會獲得影響其內部工作的重要知識，“查爾姆斯物理系教授Aleksandar Matic說，他是最近發(fā)表在Nature Communications上的科學研究的負責人。

人們寄予厚望，新的電池概念，如鋰金屬電池，將能夠取代今天的鋰離子電池。我們的目標是開發(fā)更節(jié)能、更安全的電池，使我們以更低的成本在財務和環(huán)境方面走得更遠。固態(tài)電池、鋰硫電池和鋰氧電池被認為是有前途的替代品。所有這些概念都建立在電池陽極由鋰金屬而不是當今電池中的石墨組成的想法之上。沒有石墨，電池電芯會更輕，并且以鋰金屬為陽極也可以使用高容量正極材料。這使得可以實現(xiàn)三到五倍的能量密度。

鋰形成不需要的微觀結構

然而，鋰金屬電池有一個關鍵問題：當電池充電或放電時，鋰并不總是像應有的那樣平坦光滑地沉積。通常，它形成苔蘚狀的微結構或樹突，長針狀結構，沉積的部分鋰可以變得孤立，然后失去活性。樹突也有到達另一個電池電極并導致短路的風險。因此，了解這些結構何時、如何以及為何形成至關重要。

“為了能夠在下一代電池中使用這項技術，我們需要了解電池如何受到電流密度、電解質選擇和循環(huán)次數(shù)等因素的影響?，F(xiàn)在我們有一個工具可以做到這一點，“查爾姆斯研究員Matthew Sadd說，他是這項新研究的負責人，和他的同事Shizhao Xiong一起。

興奮等待第一眼

觀察工作電池中鋰微結構形成的實驗是在瑞士蘇黎世郊外的瑞士光源進行的。在令人窒息的期待中，研究人員準備了一種專門設計的電池，用于使用X射線斷層掃描顯微鏡實時和3D研究鋰沉積的時間。盡管許多研究人員想在工作電池中研究鋰金屬，但據(jù)研究小組所知，沒有人能夠做到這一點。如果他們成功了，與在細胞循環(huán)后分析圖像相比，這將是向前邁出的重要一步。

“當我們親眼看到它在第一次嘗試時就起作用了，這真是太神奇了，”馬蒂奇說。“當我們觀察到鋰形成巨大的結構，如巨大的針頭時，幾乎就像在登月項目中一樣。長期以來，我們一直希望實時觀察電池的內部工作原理?，F(xiàn)在我們可以了。

大規(guī)模使用的關鍵拼圖

現(xiàn)在，研究小組的目標是在其他電池概念上測試該技術，希望必要的成像技術能夠在離家更近的地方使用，例如在瑞典MAX IV實驗室，這是一個用于高級X射線實驗的國家研究機構。

“我們期待開發(fā)這種方法，以更高的分辨率進行更快的測量，以便在沉積過程的早期看到更詳細的微觀結構，”Matic說。“這是能夠大規(guī)模使用鋰金屬電池并使其安全的關鍵拼圖。許多研究團隊和公司正在為他們未來的原型尋找鋰金屬概念。

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