科学家使用“智能窗口”观察锂离子电池操作

这些PS显示出超薄镍氧化物片材的Swiss-乳酪状结构，用作锂离子电池中的电极：（a）在电池操作之前; （b）放电; （c）同时充电; （d）在排出和充电的完整循环后。蓝色箭头显示在电池操作期间通过材料展开的化学反应方向。（F. Lin等人./nature通讯）

通过使用智能窗材料的超薄片材，氧化镍作为锂离子电池中的阳极，研究人员能够首次看到当电池的锂离子与氧化镍层接触时发生的事情以及如何产生的反应从几个不同的点蔓延出来。

高科技“智能窗口”，变暗以响应电流滤除阳光，与电池相同。现在，SLAC的X射线研究提供了透明的视图，进入这些窗口中的变色材料在工作电池中的表现 - 可以使下一代可充电电池受益的信息。

研究人员安装了智能窗材料的超薄片，氧化镍作为锂离子电池中的阳极，并使用SLAC的斯坦福Synchrotron辐射源（SSRL）和其他实验室的设备，以研究其改变的化学和3-D功能。

“我们将注意力转换为改变这些材料的颜色，以利用它们存储锂离子，但原理是一样的，”劳伦斯·伯克利国家实验室冯林说，该研究的主要作者在自然通信中发表。

在工作中看电池：该动画显示了在锂离子电池中的充电过程中，用断层扫描的三维重建，在锂离子电池中的充电过程中产生镍氧化物纳米片。氧化镍片用于电池电极之一。（F. Lin等人./nature通讯）

智能窗户有多层玻璃，夹在超薄薄膜或纳米晶体涂层，例如氧化镍等材料。当施加小电场时，电荷通过玻璃移动到用于电极的超薄材料，并且窗口从清晰变为黑暗。

早期的研究发现，这些专用薄材料与周围玻璃的相互作用导致结构的变化，这使得通过玻璃的电荷流动 - 一种对电池有益的性质。

在该研究中，使用氧化镍作为电池电极，研究人员首次看到当电池的锂离子与氧化镍层接触时发生的事情以及所得反应如何从几个不同的点扩散出来。

“它开始就像一种种子，”SSRL员工科学家穴·李·翁说，在该研究中合作。“然后，有几种不同的反应前线，最终形成金属框架。”

此外，研究人员观察到镍氧化物材料的表面如何随着电池电荷和放电时的“呼吸”。

“我们发现这一层在地面上成长，建立在SSRL的员工科学家Dennis Nordlund表示，他参加了研究。“那个层消失了。它几乎完全消失了。这就像一个呼吸层。它不一定是氧化镍的特异性，它对电池材料具有广泛的影响。“

这种来自电解质的沉积物的循环积聚，通常称为电极 - 电解质界面，是大多数电池材料的一部分，但已经“一点点谜团”，因为它通常挑战在研究期间电池的操作。

在典型的锂离子电池中，带电锂离子通过化学溶液迁移 - 当电池充电时电解液 - 进入阳极，当电池放电时被称为阴极。

因为在氧化镍材料上观察到的呼吸层被建成，但随后消失，可能会限制已知在其他类型的电池材料上形成的锂的“树突”的生长，并损害电池性能。

“如果你可以循环并摆脱图层，所以它不会随着时间的推移积累，”Nordlund说。

研究人员使用称为X射线吸收光谱的技术在SSRL下探测电池操作期间约5和50纳米的深度为约5和50纳米的镍氧化物材料，或百计时的仪表。

“事实证明，这些不同的探测深度非常适合研究电池材料表面的电子结构，”Nordlund表示，在SSRL下，这些能力打开了一个窗口，用于探索有源状态的许多材料。“我们真的感到独特地定位在使用这一相同的方法中解决了能源科学中的许多不同的问题。”

在研究该研究的科罗拉多州地雷学派的化学教授说，SLAC和其他合作实验室的探索性X射线工具是了解纳米级纳米级镍氧化物材料的特性。

“我们已经提交了一些提案来查看不同类型的材料 - 他们如何形成以及他们的表面具有哪些属性，”理查兹说。他说，他与SSRL员工的持续合作是“真的盛开了一个良好的关系”。

SSRL结果与合作者的其他调查结果相结合，包括布鲁克海文国家实验室的详细3-D图像和电影。Brookhaven Lab的Huolin Xin汇集了研究团队，其中还包括来自国家可再生能源实验室和澳大利亚蒙纳士大学的科学家。

出版物：F. Lin，D. Nordlund等，“锂离子电池转化反应电极的相位演化”自然通信，2014年2月24日; DOI：10.1038 / ncomms4358

图像：F. Lin等人./nature通讯