包括來自加州大學聖地亞哥分校的納米工程師的一個全球性的科學家團隊已經發現了固態電池內的納米級變化，這可以為提高電池效率提供新的見解。通過利用計算機模擬和X射線實驗，研究人員能夠詳細地”看到”為什麼鋰離子在固體電解質中移動速度緩慢，特別是在電解質和電極之間的界面。

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。這些發現於4月27日發表在《自然-材料》上，可能會導致開發新的方法來改善固態電池的離子傳導性。

固態電池包含由固體材料製成的電解質，它有希望比使用易燃液體電解質的傳統鋰離子電池更安全、更持久、更高效。

但是這些電池的一個主要問題是，鋰離子的運動受到更多限制，特別是在電解質與電極接觸的地方。

“我們製造更好的固態電池的能力受到了阻礙，因為我們不知道在這兩種固體之間的界面上到底發生了什麼，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麼，了解它們如何在電池中移動，我們可以開始設計方法，讓它們更有效地來回移動。”該研究的共同第一作者托德-帕斯卡爾說，他是納米工程和化學工程教授，也是加州大學聖地亞哥雅各布斯工程學院可持續動力和能源中心的成員。

在這項研究中，帕斯卡爾與他的長期合作者、加州大學伯克利分校化學教授Michael Zuerch合作，開發了一種直接探測界面上鋰離子的技術。在過去的三年裡，這兩個小組一直致力於開發一種全新的光譜方法，用於探測埋藏的功能性界面，如電池中存在的界面。帕斯卡爾的實驗室領導了理論工作，而祖爾奇的實驗室領導了實驗工作。

他們開發的新技術結合了兩種既定的方法。第一種是X射線吸附光譜學，它涉及到用X射線束擊中一種材料以確定其原子結構。這種方法對於探測材料內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的高能粒子脈衝擊中原子–在這種情況下，是特定能量的高強度X射線束，這樣電子就能達到一個高能狀態，稱為雙激發態。這種激發狀態不會持續很久，這意味著電子最終會回到它們的基態，並釋放出吸附的能量，隨後作為信號被檢測到。這裡的關鍵是，只有某些原子，如界面上的原子可以進行這種雙重激發。因此，從這些實驗中檢測到的信號將必然而且只提供關於在界面上發生的事情的信息，帕斯卡爾解釋說。

研究人員在一個模型固態電池上使用了這種技術，該電池由兩種常用的電池材料組成：作為固體電解質的鑭系鈦酸鋰和作為陰極的氧化鈷鋰。

為了驗證他們看到的信號確實來自於界面，研究人員根據帕斯卡爾研究小組開發的方法進行了一系列的計算機模擬。當研究人員比較實驗和計算數據時，他們發現這些信號幾乎完全匹配。

研究報告的共同第一作者薩薩瓦-賈姆努奇說：”理論工作使我們能夠填補空白，並使我們在實驗中看到的信號更加清晰，但是該理論的一個更大的優勢是我們可以用它來回答更多的問題。例如，為什麼這些信號會以這樣的方式出現？”他是帕斯卡爾研究小組的一名納米工程博士生，最近通過了博士論文答辯。

解開界面上的離子運動

Jamnuch和Pascal將這項工作向前推進了一步。他們對固體電解質中的鋰離子的動態進行建模，並發現了一些意想不到的東西。他們發現，高頻振動發生在電解質界面，與材料其他部分的振動相比，這些振動進一步限制了鋰離子的移動。

“這是這項研究的主要發現之一，我們能夠用理論來提取，”Jamnuch說。電池研究人員長期以來一直懷疑固體電解質和電極材料之間的不相容性限制了鋰離子在界面的移動。現在，Jamnuch、帕斯卡爾及其同事表明，還有其他東西在起作用。

帕斯卡爾說：”實際上，在這種材料的界面上，對離子運動有一些內在的阻力。鋰離子通過的障礙不僅僅是兩種固體材料在機械上相互不兼容的功能，它也是材料本身振動的功能。”

他將離子運動的障礙描述為類似於一個球在一個牆壁也在移動的房間內彈跳時的經歷。

他說：”想像一下，一個房間的後面有一個球，而這個球正試圖向前面移動，現在還可以想像，房間的兩側也在移動，來回移動，這導致球從一側反彈到另一側。總的能量是守恆的，所以如果球從側面反彈得更多，那麼它從後面到前面的運動就會更少。換句話說，兩側的運動速度越快，球花在反彈上的時間就越多，到前面的時間就越長。同樣，在這些固態電池中，鋰離子穿過材料的路徑受到材料本身在界面上的振動頻率比在體積上的振動頻率高的影響。因此，即使電解質和電極材料之間有完美的兼容性，由於這些高頻振動，鋰擴散通過界面仍然會有阻力。”

這一計算工作讓研究人員為未來的固態電池設計奠定了基礎。”一個想法是減緩固體電解質材料界面的振動，”Jamnuch說。”比如說，可以通過在界面上摻入重元素來做到這一點。現在我們對鋰離子如何通過這個系統有了更多的了解，我們可以合理地設計新的系統，使離子更容易通過，我們發現了可以轉動的新旋鈕，優化這些系統的新方法。”