科学家探讨如何跟踪电池内部状态 以开发特定用途电池

未来出行交通工具主要包括电动汽车、卡车和飞机等，但单一电池设计显然无法满足复杂的需求。未来几十年，可能需要根据具体用途来定制电池，因此要尽可能准确地了解各类电池的内部状态。

（图片来源：techxplore）

每种电池的工作原理都相同，即由离子（也就是带电荷的原子或分子）通过电解液将电流从负极传送到正极，然后再返回来。通过准确了解不同的离子如何在不同类型电解液中移动，研究人员可以找到改变这种传送方式的方法，从而创造出以最适合特定用途的方式进行充放电的电池。

据外媒报道，在一项突破性发现中，科学家们结合多种技术，来精确测量在电池中移动的离子。研究人员利用阿贡国家实验室的先进光子源(APS），不仅可以在电池运行时观察其内部状态，并实时测量反应进程，同时也为使用不同类型电池进行类似实验打开了大门。

研究人员与联合储能研究中心(JCESR)合作得出这一结果，详细描述锂离子通过聚合物电解质的速度。主要研究人员、德国帕德伯恩大学（Paderborn University）教授Hans-Georg Steinrück表示：“通过结合不同的实验方法来测量速度和浓度，并将其与理论数据进行比较，我们已证明其可能性，现在我们将在其他性质不同的系统上进行测量。”

这些测量是在APS的8-ID-I光束线上进行的，包括使用超亮X射线测量离子通过电池的速度，并在模型电池放电时，测量电解液中的离子浓度。研究小组随后将所得到的结果与数学模型进行比较，并得到一个极为精准的数字，即离子导电率（代表离子携带的电流）。

从本质上来说，离子导电率（transport number）是带正电的离子携带的电流相对于总电流的量。研究小组通过计算得出的这个数字大约为0.2。研究人员表示，这种测量离子运动的新方法十分敏感，因此所得出的结论与其他方法不同。科罗拉多大学博尔德分校(University Of Colorado Boulder)的Michael Toney教授表示：“传统方法是通过分析电流来测量离子导电率。然而，目前还不清楚这些电流中有多少是通过锂离子产生，有多少是由你在分析中不想要的其他因素造成的。原理很简单，但我们必须进行准确测量。这是真正的概念验证项目。”

在这项实验中，研究小组使用的是固体聚合物电解质，而不是锂离子电池中广泛使用的液体电解质。这是因为聚合物不易燃，更加安全。研究人员之一Venkat Srinivasan表示，以往研究电池内部工作原理时，最好的方法是向电池发送电流，然后进行分析。现在，科学家们可以通过实时跟踪离子运动，找到改变运动状态的机会，以满足电池设计需求。他说：“以前我们必须把这些点连接起来，现在我们可以直接、清晰地探测离子。”

阿贡X射线科学部门的物理学家Eric Dufresne表示，在这项实验中，研究团队利用APS提供的关联性，可以获得速度仅为每秒纳米的结果。“这是一项非常彻底和复杂的研究，以新颖的方式结合X射线技术，既是这方面的一个很好的例证，也是向开发未来应用迈出的一步。”

Dufresne及其同事指出，只有APS对其电子存储环进行升级时，才能更好地进行实验，使其产生的X射线的亮度增加500倍。Dufresne表示：“通过APS升级，我们可以推进动态研究进程，使其达到比微秒更好的水平。我们将聚焦光束，对更厚的材料进行更细微的测量。升级将赋予我们独特的能力，使我们能进行更多类似实验。”

研究团队表示，下一步将分析更复杂的聚合物和其他材料，并最终转向研究液体电解质。Toney希望探讨其他类型材料的离子，比如钙和锌。对于实现针对具体用途设计电池的最终目标来说，测试各种材料具有重要意义。Srinivasan表示：“如果我们想要制造高能、快速、安全和持久的电池，就需要更多地了解离子运动，以及电池内部的情况，并利用这些知识设计新材料。”