原子目击者:揭开电池之谜

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从手机到笔记本电脑,锂离子电池无处不在(你可能正在用锂离子供电的设备阅读这篇文章!)它们是便携式电子产品的杰出储能技术。然而,为了满足我们日益增长的需求,我们需要更强大的电池来为新的应用提供动力,比如为长途电动汽车加油。要做到这一点,新型尖端电池将需要超出目前可能的能量存储能力。

增加电池能量容量是一个相当大的科学挑战,而寻找改进的电池是当今最活跃的研究领域之一。科学家们戴上他们的侦探帽寻找突破,将科学直觉与先进的仪器结合起来研究令人兴奋的新型电池材料。

今天,锂离子电池是可充电电池的黄金标准。它们的工作是通过化学反应储存和释放能量。在反应中使用锂可以使其高度可逆。因此,你手机里的电池可以充电数百次。锂也是一个非常小的原子,所以电池可以在很小的空间里储存大量的锂,而不会产生很大的重量。

在每个锂离子电池内部是阴极,阳极和电解质。阳极和阴极一起工作,以在电池中容纳所有锂原子。不同的材料组合确定了存储的能量。为了使可以存储更多能量意味着制造可以储存更多锂的新型阳极和阴极材料的电池。并成功设计新的,科学家需要了解这些材料的复杂内部工作,精致细节。

科学家们通过对正极材料的原子结构和组成进行实验来开始设计过程。对于任何新材料,他们都需要计算出它能储存多少能量。了解电池储存能量的化学反应如何影响新材料也很关键。这需要相当多的科学调查。就像侦探仔细检查犯罪现场的每一寸,查看监控录像,采访目击者一样,研究人员必须进行检查,以确定反应后材料的变化。

这是艰难的侦探工作,因为研究人员永远不会发现能够看到原子规模变化的目击者。幸运的是,研究人员并没有使用古板的侦探的放大镜 - 它们配有透射电子显微镜或TEM。TEM以易于锂原子呈现令人难以置信的小东西的图像。这将有助于研究人员进入电池底部。

通常,研究人员使用TEM检查模拟真正电池操作的简化电池。通过这种原位的方法,科学家可以在电池反应过程中观察材料的原子尺度变化。通过在行动中观察现场,他们充当自己的目击者。

当科学家在透射电子显微镜中触发电池反应时,原位实验就开始了。在这个过程中,锂原子从阴极被输送到阳极。当这种情况发生时,研究人员仔细观察阳极和阴极的原子组成和结构的任何变化。研究人员还试图了解锂原子是如何在阴极和阳极之间移动的,以及锂原子是否会以以前无法预见的方式重组或聚集。

这些观察可以给科学家们提供清晰的线索,让他们知道如果在真正的电池中使用新材料会发生什么。如果一种新的正极或负极材料能储存更多的锂,并改善电池的化学反应,那么研究人员就有了一个潜在的突破。

现在,有时候一个侦探追踪每一条线索,案子还是没查到。这种情况也会发生在材料研究中。通常情况下,TEM并不能为电池研究人员提供足够的答案,无论原位测试有多么强大。这是研究环境总是高度协作的原因之一:许多不同的研究人员需要贡献他们自己的证据来解决科学难题。

对电池材料的调查是21的大科学努力之一世纪。随着社会要求为便携式设备、完全电动汽车等提供更先进的能源存储解决方案,至高无上的电池设计的神秘感只会加深。

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