文/陈根
【显微镜|陈根:新型显微镜,可同步测量微小物体运动和成像】锂离子电池是目前最为广泛利用的一种二次电池 , 其具有能量密度大、自放电率低、电势差高、循环寿命长等优点 。 锂离子电池已在许多领域实现应用,如手机、电动汽车、卫星、飞船、水下机器人等 。 但是 , 锂电子电池并非没有缺点 , 其在功率密度、充电速度、使用寿命等方面还有改进的空间 。
要想改善其性能 , 首先必须借助设备了解锂电池的内部工作机制 。 然而 , 目前只有使用昂贵、复杂的设备 , 才能达到这一目的 , 比如动用电子显微镜、或者极其强大的同步加速 X 射线机(其强度是典型 X 射线机的数十万倍) 。 也就是说 , 想要研究锂电池在现实条件下真实发生的内部过程 , 是一件较为困难的事情 。
针对这一问题 , 来自剑桥大学的科学家们利用干涉散射显微镜的成像技术 , 开发出了一款新型显微镜 。 该显微镜不仅可以观察电池在数小时内的充放电情况 , 还可以迅速地捕捉电池内部发生的过程 。
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该工具通过分析光束与散射光的相互作用 , 可以对微小物体进行同步测量和成像 。 基于此 , 研究团队得以实时对钴酸锂电极内的单个粒子进行成像 , 并且揭示了一些有趣的行为 。 比如在充放电过程中 , 锂离子在进出时发生相变的颗粒边界(这点与设备的充电率有很大关系) 。
此外 , 研究人员还发现锂离子电池有不同的速度限制 , 且这取决于它是在充电还是放电 。 比如在充电过程中 , 其速率取决于锂离子通过活性材料颗粒的速度;而在放电时 , 它又取决于例子在边缘进入的速度 。 通过观察这些机制 , 并对相关过程进行操纵 , 显著提升了电池的性能 。
总的来说 , 这套新颖且低成本的显微技术 , 首次揭开了锂离子的微观工作 。 未来 , 希望该研究成果能助力智能机电动汽车和动力电池的研发 。 目前 , 相关论文《电池中单粒离子动力学的可操作光学追踪》 , 已发表在《自然》杂志上 。
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