使用中子反射仪观察工作固态电池的内部并发现其成功的关键

美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员率先使用中子反射仪来观察工作固态电池的内部并监测其电化学。他们发现，其优异的性能源于极薄的层，带电的锂原子从阳极移动到阴极并混合到固体电解质中时会快速流过该层。

“我们想要更好的电池，”橡树岭国家实验室的安德鲁·韦斯托弗(AndrewWestover)说道，他与该实验室散裂中子源的詹姆斯·布朗宁(JamesBrowning)共同领导了一项研究，发表在《ACSEnergyLetters》上。“这意味着更高的能量密度、更低的成本、更快、更安全的电池充电以及更长的使用寿命。”

可充电电池依靠锂，一种小金属原子，紧密地包裹在带负电的阳极中，以最大限度地提高能量密度。然而，锂在大多数电解质中都不稳定，这是使用液体电解质的智能手机、笔记本电脑和电动汽车电池易燃的一个因素。

“为了解决易燃性问题，我们希望改用固体电解质，”韦斯托弗说。

锂磷氮氧化物(LiPON)是橡树岭国家实验室(ORNL)近30年前发明的一种固体电解质。韦斯托弗说：“人们一直不明白为什么它效果很好。”“我们希望使LiPON的适用范围更广泛。但我们必须首先了解它。”

先前的研究表明，固体电解质中间相(SEI)——保护和稳定固态电池的层——是其重复充电和放电能力的关键。在这种情况下，界面是由富锂层组成的化学梯度，其锂含量随着与纯LiPON的混合而减少。

“在普通电池中，电解质和工作电极之间会形成界面，”布朗宁说。“随着时间的推移，当你对电池进行充电和放电时，材料的成分和厚度会发生变化。”

“如果你有一个好的SEI，你的电池就能工作。如果你有一个坏的SEI，它就不能工作，”韦斯托弗说。“你的手机电池容量年复一年缓慢下降的原因是你的SEI正在膨胀并消耗液体电池中的电解质。”

然而，在基于LiPON的固态电池中，会形成一层薄SEI层来钝化锂，使其不发生反应，并且不会像传统电池中的SEI那样生长。

科学家将中子反射法与电化学结合起来，首次测量了LiPON和锂之间的这种稳定界面。它薄至7纳米。“我们通过这项研究发现，所形成的层大约有70个原子厚，”Westover说。“这项工作表明，可以在固态电池中制造出薄且性能优异的界面。”

这种小规模加上材料的固态促使研究人员使用中子来观察电池内部。“在X射线被发现之前，你无法通过皮肤看到体内的骨头。你必须切开皮肤，”韦斯托弗说。“到目前为止，这基本上是大多数人用来观察电池相间的方法。在这种情况下，规模太小，无法切开任何东西。我们需要一种工具，让我们能够穿过材料，探测“在这种规模下进行非破坏性的测量，并了解相间发生的情况。这就是中子反射测量法的用武之地。”

布朗宁补充说：“我们对电池的性能很感兴趣，因此我们需要一种在电池工作时观察其内部的方法，在对设备功能很重要的长度范围内运行，以探索稳定性、长期性。由于中子的相互作用很弱，我们可以在没有任何干扰的情况下将它们带到我们想要探测的点，然后更重要的是，将它们带回来，这样我们就可以确定在感兴趣的地方发生了什么——这里的界面案件。”

将中子反射计与电化学结合加速了对固态电池中锂金属和固体电解质之间界面的理解。

Westover说：“这种技术的结合为我们打开了大门，让我们能够研究整个固态电解质材料，并确定哪些材料可以实现快速充电、高能电池。”“我们已经开始了2.0版本，我们正在研究不同类型的固体电解质并开始了解它们的样子。”

他补充说：“需要发明具有这种稳定性的新材料。”未来高性能电池的设计将取决于它。