減少電池「交通擁擠」，提升電池使用性能
桑迪亞國家實驗室研究發現，在小型電子產品中提高固態鋰離子電池性能的主要障礙是，鋰離子在電池界面上的流動性。
上圖所示為桑迪亞國家實驗室的研究人員Forrest Gittleson（左）和Farid El Gabaly（右）研究了固態電池的納米級結構，重點研究電極和電解質接觸區域。圖片來源：桑迪亞的三年實驗室
該實驗室的定向研究與開發項目研究了固態電池的納米級化學反應過程，重點是電極和電解質接觸的區域。大多數商用鋰離子電池含有液體電解質和兩個固體電極，但是固態電池具有固體電解質層，使得它們有可以持續更長時間並且更安全地充放電過程。
桑迪亞國家實驗室物理學家Farid El Gabaly說：「這項工作的基本目標是使固態電池更有效率，並改善不同材料之間的界面反應。在這個項目中，所有的材料都是固體，都沒有像傳統鋰離子電池那樣的液固界面。」
該研究結果現已發表在Nano Letters雜誌上，文章的標題為「非法拉第鋰離子電池界面的物質遷移和化學協調」。
這一文章的作者是桑迪亞國家實驗室博士後科學家Forrest Gittleson和El Gabaly，這項工作由定向研究與開發項目和能源部科學辦公室提供資金。
El Gabaly解釋說，在任何鋰電池中，鋰在充電和放電時必須從一個電極到另一個電極來回移動。然而，鋰離子在不同材料中的流動性並不相同，材料之間的界面是其主要障礙。
El Gabaly比較了不同的材料，以確定鋰離子是如何快速移動的。他說：「對於我們來說，我們正試圖減少兩種材料交界處的交通堵塞。」
El Gabaly將電極-電解質界面比作高速公路上的收費站。他說道：「我們基本上是先收費，然後允許每個人通過快速通道，這樣你就可以平穩不減速的通過。當改進界面上流動方式時，即使你有適合車輛通行的基礎設施，你仍然需要付錢，但是比在手套箱里搜索硬幣的人更快，更受控制。」
他解釋說，在固態電池中有兩個重要的連接界面，分別是陰極-電解質連接處和電解質-陽極連接處。它們任何一個都可以決定整個電池的性能極限。
Gittleson補充說道：「當我們確定其中的一個連接界面的性能瓶頸時，我們會問，我們可以再改進它嗎？然後我們不斷嘗試改變界面，最終使化學化學反應過程更加穩定。」
El Gabaly說，桑迪亞實驗室對此項研究感興趣主要原因是固態電池的維護費用低，安全可靠。液體電解質通常具有反應性、揮發性和高度易燃性，並且是商業電池故障的主要原因。消除液體組分可以使這些裝置性能更好。
El Gabaly說道：「我們研究的關注點並不是想在電動汽車裡的大電池，而是一些小電子元件的電池。」
由於桑迪亞實驗室之前並沒有進行過固態電池研究，這一項目首先為電池原型和介面檢測奠定了基礎。
Gittleson說：「這種表徵是不可忽略的，因為我們感興趣的界面只有幾個原子層厚。我們使用X射線來探測那些界面下的化學性質，一般只能看到幾納米的材料。儘管設計實驗具有挑戰性，但我們已經成功地探測了這些區域，並將化學性能與完整的電池性能聯繫起來。」
另外，這項研究是使用的是以前在概念驗證型固態電池中使用的材料。
El Gabaly說：「由於這些材料不是以大規模的商業規模生產的，我們需要能夠在現場製造完整材料的器件。實驗中，我們嘗試了各種方法改變界面或改變材料來改進電池的性能。」
這項工作使用了脈衝激光沉積和X射線光電子能譜結合電化學技術。因為電池很薄並且集成在硅晶片上，因此只允許非常小規模的沉積。
Gittleson說：「使用這種方法，我們可以將界面設計到納米級甚至亞納米級。」他補充說道，實驗室現在已經創建了數百個樣品。由於材料組裝的可控性，以這種方式構建電池使得研究人員能夠準確地了解材料連接界面的外觀。
另外，下一階段的主要研究內容是提高電池的性能，並且與其他桑迪亞實驗室的技術相結合進行研究。
El Gabaly說：「我們現在已經可以將我們的電池與LED、感測器、小型天線或任何數量的集成設備結合起來。儘管我們對電池的性能感到滿意，但我們仍會不斷前行，不斷改善它。」
文章來自pleasantonweekly，原文題目為Reducing the traffic jam in batteries，由材料科技在線匯總整理。
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