科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了固態(tài)電池內(nèi)的納米級變化，這可以為提高電池效率提供新的見解。通過利用計算機(jī)模擬和X射線實(shí)驗(yàn)，研究人員能夠詳細(xì)地"看到"為什么鋰離子在固體電解質(zhì)中移動速度緩慢，特別是在電解質(zhì)和電極之間的界面。
研究表明，與材料的其他部分相比，接口處的振動增加更多的阻礙了鋰離子的移動。固態(tài)電池包含由固體材料制成的電解質(zhì)，它有希望比使用易燃液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)鋰離子電池更安全、更持久、更高效。
但是這些電池的一個主要問題是，鋰離子的運(yùn)動受到更多限制，特別是在電解質(zhì)與電極接觸的地方。"我們制造更好的固態(tài)電池的能力受到了阻礙，因?yàn)槲覀儾恢涝谶@兩種固體之間的界面上到底發(fā)生了什么，這項工作為觀察這類界面提供了一個新的顯微鏡。通過看到鋰離子在做什么，了解它們?nèi)绾卧陔姵刂幸苿?，我們可以開始設(shè)計方法，讓它們更有效地來回移動。"某科學(xué)家說。
在這項研究中，科學(xué)家們開發(fā)了一種直接探測界面上鋰離子的技術(shù)。在過去的三年里，這兩個小組一直致力于開發(fā)一種全新的光譜方法，用于探測埋藏的功能性界面，如電池中存在的界面。
他們開發(fā)的新技術(shù)結(jié)合了兩種既定的方法。第一種是X射線吸附光譜學(xué)，它涉及到用X射線束擊中一種材料以確定其原子結(jié)構(gòu)。這種方法對于探測材料內(nèi)部深處的鋰離子很有用，但在界面上卻沒有。因此，研究人員使用了第二種方法，稱為二次諧波生成，它可以專門識別界面上的原子。它涉及到用兩個連續(xù)的高能粒子脈沖擊中原子--在這種情況下，是特定能量的高強(qiáng)度X射線束，這樣電子就能達(dá)到一個高能狀態(tài)，稱為雙激發(fā)態(tài)。這種激發(fā)狀態(tài)不會持續(xù)很久，這意味著電子最終會回到它們的基態(tài)，并釋放出吸附的能量，隨后作為信號被檢測到。這里的關(guān)鍵是，只有某些原子，如界面上的原子可以進(jìn)行這種雙重激發(fā)。因此，從這些實(shí)驗(yàn)中檢測到的信號將必然而且只提供關(guān)于在界面上發(fā)生的事情的信息。
研究人員在一個模型固態(tài)電池上使用了這種技術(shù)，該電池由兩種常用的電池材料組成：作為固體電解質(zhì)的鑭系鈦酸鋰和作為陰極的氧化鈷鋰。
為了驗(yàn)證他們看到的信號確實(shí)來自于界面，研究人員進(jìn)行了一系列的計算機(jī)模擬。當(dāng)研究人員比較實(shí)驗(yàn)和計算數(shù)據(jù)時，他們發(fā)現(xiàn)這些信號幾乎完全匹配。
科學(xué)家們對固體電解質(zhì)中的鋰離子的動態(tài)進(jìn)行建模，并發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的東西。他們發(fā)現(xiàn)，高頻振動發(fā)生在電解質(zhì)界面，與材料其他部分的振動相比，這些振動進(jìn)一步限制了鋰離子的移動。
這一計算工作讓研究人員為未來的固態(tài)電池設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。研究人員表示可以通過在界面上摻入重元素來做到這一點(diǎn)?，F(xiàn)在我們對鋰離子如何通過這個系統(tǒng)有了更多的了解，我們可以合理地設(shè)計新的系統(tǒng)，使離子更容易通過，我們發(fā)現(xiàn)了可以轉(zhuǎn)動的新旋鈕，優(yōu)化這些系統(tǒng)的新方法。
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