目前正在開(kāi)發(fā)的最新一代鋰離子電池有望為手機(jī)、電動(dòng)汽車、筆記本電腦和無(wú)數(shù)其他設(shè)備的供電帶來(lái)一場(chǎng)革命。這些新電池采用了所有固態(tài)、不可燃的組件，與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，它們更輕、充電時(shí)間更長(zhǎng)、充電速度更快、使用更安全，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鋰離子電池含有可能起火的凝膠。

然而，像所有的電池一樣，固態(tài)鋰離子電池有一個(gè)缺點(diǎn)。由于電化學(xué)的相互作用，阻抗可能在電池內(nèi)積累，限制了電流的流動(dòng)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員和他們的同事現(xiàn)在已經(jīng)確定了這種積聚的大部分發(fā)生地點(diǎn)。在此過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的重新設(shè)計(jì)，可以極大地限制阻抗的積累，使電池能夠履行其作為下一代電源的作用。

鋰離子電池由兩個(gè)片狀終端組成，即陽(yáng)極（負(fù)極）和陰極（正極），被一種稱為電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)介質(zhì)隔開(kāi)(在普通鋰離子電池中，電解質(zhì)是一種凝膠，在固態(tài)電池中是一種固體）。在放電過(guò)程中，鋰離子從陽(yáng)極通過(guò)電解質(zhì)流向陰極，迫使電子在外部電路中移動(dòng)，產(chǎn)生為設(shè)備供電的電流。

阻抗通常出現(xiàn)在兩個(gè)電極中的任何一個(gè)與電解質(zhì)的界面上。但要找到確切的位置，需要了解鋰離子的分布和每個(gè)界面的電壓差。

其他團(tuán)隊(duì)以前的研究無(wú)法明確定位問(wèn)題區(qū)域，因?yàn)樗麄兪褂玫墓ぞ呤菍?duì)整個(gè)電池的阻抗進(jìn)行平均化，而不是在設(shè)備內(nèi)的單個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量。NIST團(tuán)隊(duì)，包括來(lái)自加州利弗莫爾的桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、華盛頓特區(qū)的海軍研究實(shí)驗(yàn)室和幾所大學(xué)的合作者，使用了兩種互補(bǔ)的方法來(lái)研究固態(tài)鋰離子電池中納米尺度的阻抗。

其中一種方法，即開(kāi)爾文探針力顯微鏡，使用原子力顯微鏡的尖銳尖端在一個(gè)開(kāi)放的電池的不同層上盤旋，對(duì)每個(gè)表面上的電壓分布進(jìn)行成像。探針顯示，電池內(nèi)最大的電壓下降發(fā)生在電解質(zhì)/陽(yáng)極界面，表明這是一個(gè)高阻抗的區(qū)域(如果整個(gè)電池具有低阻抗，那么內(nèi)部電壓降會(huì)在電池內(nèi)各處逐漸平穩(wěn)地變化）。

第二種方法，即中子深度剖析，使用一束在NIST中子研究中心產(chǎn)生的低能量中子來(lái)探測(cè)鋰的納米級(jí)分布和濃度。由于中子深度剖析不會(huì)傷害電池，研究人員能夠在電池運(yùn)行時(shí)采用這種技術(shù)。

當(dāng)來(lái)自光束的低能量中子被電池中的鋰吸收時(shí)，它們產(chǎn)生了高能帶電粒子、阿爾法（4He）和氚（3H）。產(chǎn)生的這些帶電粒子的數(shù)量以及它們?cè)谕ㄟ^(guò)電池的各層后保留的能量表明了電池中不同地方的鋰離子濃度。

測(cè)量結(jié)果顯示，鋰離子堆積的主要部位，減少了電流的流動(dòng)，發(fā)生在電解質(zhì)和陽(yáng)極之間的邊界--這也是開(kāi)爾文探針力顯微鏡檢測(cè)到的最大電壓下降的部位。

來(lái)自NIST和位于CollegePark的馬里蘭大學(xué)納米中心的團(tuán)隊(duì)成員EvgheniStrelcov說(shuō)，綜合來(lái)看，開(kāi)爾文探針力顯微鏡和中子深度剖析技術(shù)的結(jié)果明確地表明，大部分阻抗產(chǎn)生于電解質(zhì)/陽(yáng)極界面。

研究人員說(shuō)：這項(xiàng)工作表明，中子深度剖析，結(jié)合開(kāi)爾文探針力顯微鏡和理論建模，繼續(xù)推進(jìn)我們對(duì)鋰離子電池內(nèi)部運(yùn)作的理解。”

在分析他們的發(fā)現(xiàn)時(shí)，科學(xué)家們得出結(jié)論，如果在陽(yáng)極和電解質(zhì)之間添加其他材料層，他們?cè)诮缑嫔习l(fā)現(xiàn)的阻抗可以大大降低。添加適當(dāng)?shù)南嗷フ尺B的中間層將防止電解質(zhì)和陽(yáng)極直接相互作用。這是一個(gè)好處，因?yàn)楫?dāng)電解質(zhì)和陽(yáng)極直接接觸時(shí)，它們有時(shí)會(huì)形成一層薄薄的材料，阻礙了離子的傳輸。

下一步，研究人員希望對(duì)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具有高的離子和電子傳導(dǎo)性。