以前看不见的过程揭示了提高可充电电池性能的途径

为了设计更好的可充电离子电池，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工程师和化学家合作将强大的新电子显微镜技术和数据挖掘相结合，以直观地确定离子电池内的化学和物理变化区域。

由材料科学与工程教授钱陈和左建民领导的一项研究首次在纳米尺度上绘制出可充电离子电池内部的改变域——分辨率比当前的X射线和光学方法提高了10倍或更多。

研究结果发表在《自然材料》杂志上。

该团队表示，之前了解电池材料工作和失效机制的努力主要集中在充电循环的化学效应上，即电池电极化学成分的变化。

一种称为四维扫描透射电子显微镜的新电子显微镜技术允许该团队使用高度聚焦的探针来收集电池内部工作的图像。

“在可充电离子电池的运行过程中，离子会在电极内外扩散，造成机械应变，有时还会出现开裂故障，”博士后研究员、第一作者陈文祥说。“使用新的电子显微镜方法，我们可以首次捕捉到电池材料内部由应变引起的纳米级区域。”

陈倩说，这些类型的微观结构异质性转变已经在陶瓷和冶金领域得到了广泛的研究，但直到这项研究才被用于储能材料。

“4D-STEM方法对于绘制材料内部难以接近的结晶度和畴取向变化至关重要，”Zuo说。

该团队将其4D-STEM观察结果与机械科学和工程教授ElifErtekin领导的计算模型进行了比较，以发现这些变化。

“结合数据挖掘和4D-STEM数据显示，随着应变纳米级域的发展，电池内部的成核、生长和聚结过程模式，”钱晨说。“使用材料科学与工程教授和研究合著者丹尼尔·舒梅克收集的X射线衍射数据进一步验证了这些模式。”

陈倩计划通过制作有关这一过程的电影来进一步开展这项研究——她的实验室在这方面广为人知。

“这项研究的影响可以超越这里研究的多价离子电池系统，”材料科学与工程教授、材料研究实验室主任和该研究的合著者保罗布劳恩说。“这一概念、原理和支持表征框架适用于各种锂离子和后锂离子电池中的电极以及其他电化学系统，包括燃料电池、突触晶体管和电致变色。”

伊利诺伊州化学研究人员AndrewGewirth;杨宏，化学与生物分子工程;壳牌研究员RyanStephens也参与了这项研究。

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