隨著行業(yè)和消費(fèi)者越來越多地尋求改進(jìn)的電池電源，能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的尖端顯微鏡檢查為鋰離子電池的運(yùn)行提供了前所未有的視角。
由ORNL的Nina Balke，Stephen Jesse和Sergei Kalinin領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一種新型掃描探針顯微鏡，稱為電化學(xué)應(yīng)變顯微鏡(ESM)，用于檢測鋰離子通過電池陰極材料的運(yùn)動(dòng)。該研究發(fā)表在Nature Nanotechnology上。
“我們可以提供納米體積的離子運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)圖片，這超過了最先進(jìn)的電化學(xué)技術(shù)六到七個(gè)數(shù)量級，”Kalinin說。研究人員通過將電壓與ESM探頭一起施加到電池層狀陰極表面來實(shí)現(xiàn)結(jié)果。通過測量相應(yīng)的電化學(xué)應(yīng)變或體積變化，該團(tuán)隊(duì)能夠可視化鋰離子如何流過材料。Kalinin解釋說，分析電流而不是應(yīng)變的常規(guī)電化學(xué)技術(shù)在納米級別上不起作用，因?yàn)殡娀瘜W(xué)電流太小而無法測量。
“據(jù)我們所知，這是在這種空間分辨率下鋰離子流量的第一次測量，”Kalinin說。
從手機(jī)到電動(dòng)汽車為電子設(shè)備供電的鋰離子電池因其重量輕，能量密度高和充電能力強(qiáng)而著稱。研究人員希望通過向工程師提供有關(guān)電池組件和動(dòng)態(tài)的精確調(diào)整知識來擴(kuò)展電池的性能。
“我們希望了解 - 從納米級的角度來看 - 是什么讓一個(gè)電池工作，一個(gè)電池失效。這可以通過檢查單個(gè)顆?；驍U(kuò)展缺陷的功能來完成，”Balke說。
該團(tuán)隊(duì)的ESM成像可以顯示諸如單個(gè)晶粒，晶粒簇和陰極材料內(nèi)的缺陷等特征。例如，高分辨率繪圖顯示鋰離子流可以沿著晶界集中，這可能導(dǎo)致開裂和電池故障。研究人員表示，需要檢查這些類型的納米級現(xiàn)象并將其與整體電池功能相關(guān)聯(lián)。
“納米水平上的微小變化可能對設(shè)備水平產(chǎn)生巨大影響，”Balke說。“了解這種長度的電池可能有助于為材料工程提出建議。”
盡管該研究主要集中在鋰離子電池上，但該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)其技術(shù)可用于測量其他電化學(xué)固態(tài)系統(tǒng)，包括其他電池類型，燃料電池和使用納米級離子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行信息存儲的類似電子設(shè)備。
“我們將這種方法視為我們在CNMS開發(fā)的各種高維掃描探針技術(shù)的一個(gè)例子，使我們能夠看到納米級復(fù)雜材料的內(nèi)部工作原理，”Jesse說。“這些能力與日益重要的能源研究領(lǐng)域特別相關(guān)。”
Balke，Jesse和Kalinin是ORNL納米材料科學(xué)中心的研究科學(xué)家。研究團(tuán)隊(duì)包括來自O(shè)RNL材料科學(xué)與技術(shù)部的Nancy Dudney，Yoongu Kim和Leslie Adamczyk。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵理論成果來自烏克蘭國家科學(xué)院的Anna Morozovska和Eugene Eliseev以及普渡大學(xué)的Tony Chung和Edwin Garcia。
該研究得到了流體接口反應(yīng)，結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸中心的支持，該中心是能源部科學(xué)辦公室資助的能源前沿研究中心。