包括加州大学圣地亚哥分校纳米工程师在内的一个国际研究小组发现了固态电池内部的纳米级变化，这可能为提高电池性能提供新的见解。

利用计算机模拟和X射线实验，研究人员可以详细“看到”为什么锂离子在固体电解质中缓慢移动 - 特别是在电解质 - 电极界面处。他们的研究表明，界面处更快的振动使锂离子比材料的其他部分更难移动到那里。他们的研究结果于27月<>日发表在《自然材料》上，可能导致增强固态电池离子电导率的新策略。

固态电池含有由固体材料制成的电解质，有望比使用易燃液体电解质的传统锂离子电池更安全、更持久、更高效。

但这些电池的一个主要问题是锂离子的运动受到更多限制，特别是在电解质与电极接触的地方。

“我们制造更好的固态电池的能力受到这样一个事实的阻碍，因为我们不知道这两种固体之间的界面到底发生了什么，”该研究的共同资深作者Tod Pascal说，他是纳米工程和化学工程教授，也是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院可持续电力和能源中心的成员。“这项工作为观察这些界面提供了一种新的显微镜。通过观察锂离子在做什么并了解它们如何在电池中移动，我们可以开始设计方法来更有效地来回它们。

在这项研究中，Pascal与他的长期合作者，加州大学伯克利分校化学教授Michael Zuerch合作，开发了一种直接探测界面锂离子的技术。在过去的三年里，这两个小组一直致力于开发一种全新的光谱方法，用于探测埋藏的功能界面，例如电池中存在的界面。Pascal的实验室领导了理论工作，而Zuerch的实验室领导了实验工作。

他们开发的新技术结合了两种既定的方法。第一种是X射线吸附光谱学，它涉及用X射线束撞击材料以识别其原子结构。这种方法可用于探测材料内部深处的锂离子，但不适用于界面。因此，研究人员使用了第二种方法，称为二次谐波产生，它可以专门识别界面上的原子。

它涉及用两个连续的高能粒子脉冲撞击原子 - 在这种情况下，在特定能量下的高强度X射线束 - 以便电子可以达到高能量状态，称为双激发态。这种激发态不会持续很长时间，这意味着电子最终会回到它们的基态并释放吸附的能量，随后被检测为信号。这里的关键是只有某些原子，例如界面上的原子，可以经历这种双重激发。因此，来自这些实验的检测到的信号必然且仅提供有关界面上发生的事情的信息，Pascal解释说。

研究人员在由两种常用电池材料组成的模型固态电池上使用这种技术：锂镧钛氧化物作为固体电解质和锂钴氧化物作为阴极。

为了验证他们看到的信号确实来自界面，研究人员根据Pascal研究小组开发的方法进行了一系列计算机模拟。当研究人员比较实验数据和计算数据时，他们发现信号几乎完全匹配。

“理论工作使我们能够填补空白，并清楚地说明我们在实验中看到的信号，”该研究的共同第一作者Sasawat Jamnuch说，他是Pascal研究小组的纳米工程博士生，最近为他的博士论文辩护。“但该理论的一个更大的优势是，我们可以用它来回答其他问题。例如，为什么这些信号会以它们的方式出现?

解锁界面处的离子运动

Jamnuch和Pascal将这项工作更进一步。他们模拟了固体电解质中锂离子的动力学，并发现了一些意想不到的东西。他们发现在电解质界面处发生了高频振动，与材料其余部分的振动相比，这些振动进一步限制了锂离子的运动。

“这是我们能够用理论提取的这项研究的主要发现之一，”Jamnuch说。电池研究人员长期以来一直怀疑固体电解质和电极材料之间的不相容性限制了锂离子在界面上的运动。现在，Jamnuch，Pascal及其同事表明，还有其他东西在起作用。

“实际上，在界面处的这种材料中存在一些对离子运动的内在阻力，”Pascal说。“锂离子通过的屏障不仅仅是两种固体材料在机械上彼此不相容的功能，它也是材料本身振动的函数。

他将离子运动的屏障描述为类似于球在墙壁也在移动的房间内反弹时所经历的。

“想象一个房间，后面有一个球，球正试图移动到前面，”他说。“现在还可以想象房间的侧面也在来回移动，这导致球从一侧弹到另一侧。总能量是守恒的，所以如果球从一侧弹到另一侧弹跳更多，它必须从后到前移动更少。换句话说，两侧移动得越快，球弹跳的时间就越长，到达前方所需的时间就越长。

“同样，在这些固态电池中，锂离子通过材料的路径受到以下事实的影响：材料本身在界面处以比本体更高的频率振动。因此，即使电解质和电极材料之间存在完美的兼容性，由于这些高频振动，仍然会抵抗锂通过界面扩散。

由于他们的计算工作，研究人员为未来的固态电池设计奠定了基础。

“一个想法是减缓固体电解质材料界面处的振动，”Jamnuch说。“例如，你可以通过在界面上掺杂重元素来做到这一点。

“现在我们对锂离子如何通过这个系统有了更多的了解，我们可以合理地设计新的系统，使离子更容易通过，”Pascal说。“我们找到了新的旋钮，找到了优化这些系统的新方法。