目前正在開發(fā)的最新一代鋰離子電池有望為手機(jī)、電動汽車、筆記本電腦和無數(shù)其他設(shè)備的供電帶來一場革命。這些新電池采用了所有固態(tài)、不可燃的組件，與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，它們更輕、充電時間更長、充電速度更快、使用更安全，因為傳統(tǒng)的鋰離子電池含有可能起火的凝膠。

然而，像所有的電池一樣，固態(tài)鋰離子電池有一個缺點。由于電化學(xué)的相互作用，阻抗可能在電池內(nèi)積累，限制了電流的流動。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員和他們的同事現(xiàn)在已經(jīng)確定了這種積聚的大部分發(fā)生地點。在此過程中，該團(tuán)隊提出了一個簡單的重新設(shè)計，可以極大地限制阻抗的積累，使電池能夠履行其作為下一代電源的作用。

鋰離子電池由兩個片狀終端組成，即陽極（負(fù)極）和陰極（正極），被一種稱為電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)介質(zhì)隔開(在普通鋰離子電池中，電解質(zhì)是一種凝膠，在固態(tài)電池中是一種固體）。在放電過程中，鋰離子從陽極通過電解質(zhì)流向陰極，迫使電子在外部電路中移動，產(chǎn)生為設(shè)備供電的電流。

阻抗通常出現(xiàn)在兩個電極中的任何一個與電解質(zhì)的界面上。但要找到確切的位置，需要了解鋰離子的分布和每個界面的電壓差。

其他團(tuán)隊以前的研究無法明確定位問題區(qū)域，因為他們使用的工具是對整個電池的阻抗進(jìn)行平均化，而不是在設(shè)備內(nèi)的單個位置進(jìn)行測量。NIST團(tuán)隊，包括來自加州利弗莫爾的桑迪亞國家實驗室、華盛頓特區(qū)的海軍研究實驗室和幾所大學(xué)的合作者，使用了兩種互補(bǔ)的方法來研究固態(tài)鋰離子電池中納米尺度的阻抗。

其中一種方法，即開爾文探針力顯微鏡，使用原子力顯微鏡的尖銳尖端在一個開放的電池的不同層上盤旋，對每個表面上的電壓分布進(jìn)行成像。探針顯示，電池內(nèi)最大的電壓下降發(fā)生在電解質(zhì)/陽極界面，表明這是一個高阻抗的區(qū)域(如果整個電池具有低阻抗，那么內(nèi)部電壓降會在電池內(nèi)各處逐漸平穩(wěn)地變化）。

第二種方法，即中子深度剖析，使用一束在NIST中子研究中心產(chǎn)生的低能量中子來探測鋰的納米級分布和濃度。由于中子深度剖析不會傷害電池，研究人員能夠在電池運(yùn)行時采用這種技術(shù)。

當(dāng)來自光束的低能量中子被電池中的鋰吸收時，它們產(chǎn)生了高能帶電粒子、阿爾法（4He）和氚（3H）。產(chǎn)生的這些帶電粒子的數(shù)量以及它們在通過電池的各層后保留的能量表明了電池中不同地方的鋰離子濃度。

測量結(jié)果顯示，鋰離子堆積的主要部位，減少了電流的流動，發(fā)生在電解質(zhì)和陽極之間的邊界--這也是開爾文探針力顯微鏡檢測到的最大電壓下降的部位。

來自NIST和位于CollegePark的馬里蘭大學(xué)納米中心的團(tuán)隊成員EvgheniStrelcov說，綜合來看，開爾文探針力顯微鏡和中子深度剖析技術(shù)的結(jié)果明確地表明，大部分阻抗產(chǎn)生于電解質(zhì)/陽極界面。

研究人員說："這項工作表明，中子深度剖析，結(jié)合開爾文探針力顯微鏡和理論建模，繼續(xù)推進(jìn)我們對鋰離子電池內(nèi)部運(yùn)作的理解?！?/p>

在分析他們的發(fā)現(xiàn)時，科學(xué)家們得出結(jié)論，如果在陽極和電解質(zhì)之間添加其他材料層，他們在界面上發(fā)現(xiàn)的阻抗可以大大降低。添加適當(dāng)?shù)南嗷フ尺B的中間層將防止電解質(zhì)和陽極直接相互作用。這是一個好處，因為當(dāng)電解質(zhì)和陽極直接接觸時，它們有時會形成一層薄薄的材料，阻礙了離子的傳輸。

下一步，研究人員希望對界面進(jìn)行設(shè)計，使其具有高的離子和電子傳導(dǎo)性。