3D电池成像揭示锂金属电池的秘密实时寿命

创新的电池研究人员已经破解了密码，可以在循环时为有前途但喜怒无常的锂金属电池创建实时3D图像。瑞典查尔姆斯理工大学的一个研究小组成功地观察了电池中的锂金属在充电和放电时的行为。

新方法可能有助于我们未来汽车和设备中具有更高容量和安全性的电池。

“我们已经打开了一扇新窗口，以便了解 - 并从长远来看优化 - 未来的锂金属电池。当我们能够准确地研究电池中的锂在循环过程中会发生什么时，我们就会获得影响其内部工作的重要知识，“查尔姆斯物理系教授Aleksandar Matic说，他是最近发表在Nature Communications上的科学研究的负责人。

人们寄予厚望，新的电池概念，如锂金属电池，将能够取代今天的锂离子电池。我们的目标是开发更节能、更安全的电池，使我们以更低的成本在财务和环境方面走得更远。固态电池、锂硫电池和锂氧电池被认为是有前途的替代品。所有这些概念都建立在电池阳极由锂金属而不是当今电池中的石墨组成的想法之上。没有石墨，电池电芯会更轻，并且以锂金属为阳极也可以使用高容量正极材料。这使得可以实现三到五倍的能量密度。

锂形成不需要的微观结构

然而，锂金属电池有一个关键问题：当电池充电或放电时，锂并不总是像应有的那样平坦光滑地沉积。通常，它形成苔藓状的微结构或树突，长针状结构，沉积的部分锂可以变得孤立，然后失去活性。树突也有到达另一个电池电极并导致短路的风险。因此，了解这些结构何时、如何以及为何形成至关重要。

“为了能够在下一代电池中使用这项技术，我们需要了解电池如何受到电流密度、电解质选择和循环次数等因素的影响。现在我们有一个工具可以做到这一点，“查尔姆斯研究员Matthew Sadd说，他是这项新研究的负责人，和他的同事Shizhao Xiong一起。

兴奋等待第一眼

观察工作电池中锂微结构形成的实验是在瑞士苏黎世郊外的瑞士光源进行的。在令人窒息的期待中，研究人员准备了一种专门设计的电池，用于使用X射线断层扫描显微镜实时和3D研究锂沉积的时间。尽管许多研究人员想在工作电池中研究锂金属，但据研究小组所知，没有人能够做到这一点。如果他们成功了，与在细胞循环后分析图像相比，这将是向前迈出的重要一步。

“当我们亲眼看到它在第一次尝试时就起作用了，这真是太神奇了，”马蒂奇说。“当我们观察到锂形成巨大的结构，如巨大的针头时，几乎就像在登月项目中一样。长期以来，我们一直希望实时观察电池的内部工作原理。现在我们可以了。

大规模使用的关键拼图

现在，研究小组的目标是在其他电池概念上测试该技术，希望必要的成像技术能够在离家更近的地方使用，例如在瑞典MAX IV实验室，这是一个用于高级X射线实验的国家研究机构。

“我们期待开发这种方法，以更高的分辨率进行更快的测量，以便在沉积过程的早期看到更详细的微观结构，”Matic说。“这是能够大规模使用锂金属电池并使其安全的关键拼图。许多研究团队和公司正在为他们未来的原型寻找锂金属概念。