纳米级变化揭示了提高固态电池性能的线索

包括来自加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师的一个全球性的科学家团队已经发现了固态电池内的纳米级变化，这可以为提高电池效率提供新的见解。通过利用计算机模拟和X射线实验，研究人员能够详细地"看到"为什么锂离子在固体电解质中移动速度缓慢，特别是在电解质和电极之间的界面。

研究表明，与材料的其他部分相比，接口处的振动增加更多的阻碍了锂离子的移动。这些发现于4月27日发表在《自然-材料》上，可能会导致开发新的方法来改善固态电池的离子传导性。

固态电池包含由固体材料制成的电解质，它有希望比使用易燃液体电解质的传统锂离子电池更安全、更持久、更高效。

但是这些电池的一个主要问题是，锂离子的运动受到更多限制，特别是在电解质与电极接触的地方。

"我们制造更好的固态电池的能力受到了阻碍，因为我们不知道在这两种固体之间的界面上到底发生了什么，这项工作为观察这类界面提供了一个新的显微镜。通过看到锂离子在做什么，了解它们如何在电池中移动，我们可以开始设计方法，让它们更有效地来回移动。"该研究的共同第一作者托德-帕斯卡尔说，他是纳米工程和化学工程教授，也是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院可持续动力和能源中心的成员。

在这项研究中，帕斯卡尔与他的长期合作者、加州大学伯克利分校化学教授Michael Zuerch合作，开发了一种直接探测界面上锂离子的技术。在过去的三年里，这两个小组一直致力于开发一种全新的光谱方法，用于探测埋藏的功能性界面，如电池中存在的界面。帕斯卡尔的实验室领导了理论工作，而祖尔奇的实验室领导了实验工作。

他们开发的新技术结合了两种既定的方法。第一种是X射线吸附光谱学，它涉及到用X射线束击中一种材料以确定其原子结构。这种方法对于探测材料内部深处的锂离子很有用，但在界面上却没有。因此，研究人员使用了第二种方法，称为二次谐波生成，它可以专门识别界面上的原子。它涉及到用两个连续的高能粒子脉冲击中原子--在这种情况下，是特定能量的高强度X射线束，这样电子就能达到一个高能状态，称为双激发态。这种激发状态不会持续很久，这意味着电子最终会回到它们的基态，并释放出吸附的能量，随后作为信号被检测到。这里的关键是，只有某些原子，如界面上的原子可以进行这种双重激发。因此，从这些实验中检测到的信号将必然而且只提供关于在界面上发生的事情的信息，帕斯卡尔解释说。

研究人员在一个模型固态电池上使用了这种技术，该电池由两种常用的电池材料组成：作为固体电解质的镧系钛酸锂和作为阴极的氧化钴锂。

为了验证他们看到的信号确实来自于界面，研究人员根据帕斯卡尔研究小组开发的方法进行了一系列的计算机模拟。当研究人员比较实验和计算数据时，他们发现这些信号几乎完全匹配。

研究报告的共同第一作者萨萨瓦-贾姆努奇说："理论工作使我们能够填补空白，并使我们在实验中看到的信号更加清晰，但是该理论的一个更大的优势是我们可以用它来回答更多的问题。例如，为什么这些信号会以这样的方式出现？"他是帕斯卡尔研究小组的一名纳米工程博士生，最近通过了博士论文答辩。

解开界面上的离子运动

Jamnuch和Pascal将这项工作向前推进了一步。他们对固体电解质中的锂离子的动态进行建模，并发现了一些意想不到的东西。他们发现，高频振动发生在电解质界面，与材料其他部分的振动相比，这些振动进一步限制了锂离子的移动。

"这是这项研究的主要发现之一，我们能够用理论来提取，"Jamnuch说。电池研究人员长期以来一直怀疑固体电解质和电极材料之间的不相容性限制了锂离子在界面的移动。现在，Jamnuch、帕斯卡尔及其同事表明，还有其他东西在起作用。

帕斯卡尔说："实际上，在这种材料的界面上，对离子运动有一些内在的阻力。锂离子通过的障碍不仅仅是两种固体材料在机械上相互不兼容的功能，它也是材料本身振动的功能。"

他将离子运动的障碍描述为类似于一个球在一个墙壁也在移动的房间内弹跳时的经历。

他说："想象一下，一个房间的后面有一个球，而这个球正试图向前面移动，现在还可以想象，房间的两侧也在移动，来回移动，这导致球从一侧反弹到另一侧。总的能量是守恒的，所以如果球从侧面反弹得更多，那么它从后面到前面的运动就会更少。换句话说，两侧的运动速度越快，球花在反弹上的时间就越多，到前面的时间就越长。同样，在这些固态电池中，锂离子穿过材料的路径受到材料本身在界面上的振动频率比在体积上的振动频率高的影响。因此，即使电解质和电极材料之间有完美的兼容性，由于这些高频振动，锂扩散通过界面仍然会有阻力。"

这一计算工作让研究人员为未来的固态电池设计奠定了基础。"一个想法是减缓固体电解质材料界面的振动，"Jamnuch说。"比如说，可以通过在界面上掺入重元素来做到这一点。现在我们对锂离子如何通过这个系统有了更多的了解，我们可以合理地设计新的系统，使离子更容易通过，我们发现了可以转动的新旋钮，优化这些系统的新方法。"