河北
一种基于中子的测绘技术已被用于实时追踪正在工作的全固态电池内部锂离子的运动。
法国劳厄-朗之万研究所（ILL）的研究人员发现了出乎意料的结构复杂性，这可能为设计更安全、更高效的固态电池提供指导。
研究人员利用原位中子粉末衍射技术深入观察了电池的内部界面。有趣的是，实验发现电极内部存在一种混乱的结构，表明锂离子在电池中的流动远不如之前认为的那样顺畅。
深入观察固态电池内部
可充电电池使用的液态电解质存在安全风险，也限制了性能。全固态电池的目标是用固态材料替代这种液体，从而实现更安全的运行、更高的能量密度，以及在极端温度下更好的性能。
然而，要让这些电池变得可靠并不容易，因为锂离子在固体结构中往往移动不均，导致不同区域的充电速度参差不齐。为了解决这一难题，研究人员首次利用中子衍射技术深入观察了一块正在运行中的厚固态电池内部。这有助于实时追踪锂的移动，从而帮助理解并优化电池的运作方式。
实验室常用的X射线会被重电子散射，探测不到锂这样的轻元素。但中子直接与原子核相互作用。这让中子天生就适合用来探测锂。此外，中子还拥有一种独特的超能力：极强的穿透力。中子提供了一种无损探测手段，可以穿透厚电池芯块的整个内部，而不只是表面。
这使得原位中子粉末衍射成为在电池真实充放电过程中追踪其结构变化的不可或缺的工具。
加热救场
为了获得清晰的信号，ILL团队需要制作一个约2.5毫米厚的电池单元，为此需要用到140毫克的正极活性材料。更厚的组件通常意味着巨大的内阻，内阻一大，电流就没了。
一种新合成的高电导率固体电解质（一种混合卤化物银辉石）解决了这个问题。它的离子电导率是传统材料的六倍。即使厚度这么大，电池的电解质仍然能让超过一半的锂成功提取出来。
他们观察到的现象改变了我们对固态力学的理解。
即便以蜗牛般的速度充电时，锂也没有顺畅地流动。电极分裂成了两个相互竞争的结构相，分别被称为H1和H2。电池的不同区域就好像处在不同的时区一样，因为电流本身出了问题，它们充电的速率完全不同。
但接下来，他们把温度升高了。当团队在100°C下重复实验时，混乱的两相行为完全消失了。热量大幅提升了材料的离子导电性，让电流变得平稳顺畅，迫使锂离子以完美统一的步调齐步前进。与此同时，固体电解质框架完好无损，没有任何退化的迹象。
在整个测试过程中，固体电解质在结构上保持稳定，这对硫化物基全固态电池的长期发展来说，是一个令人鼓舞的信号。
这一发现为电池架构师提供了一个精确调控性能的旋钮。它为电动汽车设计的未来勾勒出了一条路线图，即通过精准的热管理和优化的导电性，可以消除电极内部的“交通拥堵”问题。
该研究发表在《先进能源材料》杂志上。
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