编者按:这条新闻应该会引起风能行业和其他寻找更好电池的公司的兴趣。
科学家们石溪大学以及美国能源部的布鲁克海文国家实验室正在使用开拓性的x射线技术来绘制锂基电池中高导电银基质形成的内部原子转换，这可能会导致更高效电池的设计。他们的研究结果最近发表在该杂志的网络版上科学．
在一种很有前途的锂基电池中，银基质的形成改变了一种因低导电性而困扰的材料。为了优化这些多金属电池——并增强电流——科学家们需要一种方法来观察这些银纳米级“桥”在何时何地以何种方式出现。在研究论文中，石溪和布鲁克海文实验室团队成功地绘制了这种变化的原子结构，并揭示了它与电池放电速率的联系。该研究表明，在电池寿命的早期，缓慢的放电速率会产生更均匀和更广泛的导电网络，这为新的设计方法和优化技术提供了建议。
研究合著者Esther Takeuchi说:“有了对电池阴极放电过程的深入了解，我们可以针对旨在解决与功率和效率相关的关键电池问题的新材料。”Esther Takeuchi是纽约州立大学石溪大学材料科学与工程系的杰出教授，也是布鲁克海文实验室基础能源科学理事会的首席科学家。
科学家们在布鲁克海文实验室的国家同步加速器光源(NSLS)——美国能源部科学办公室的用户设施——使用明亮的x射线束探测含二磷酸钒银(Ag2副总裁2O8)电极。这种极具前景的正极材料被称为svop，具有高稳定性、高电压和自发基质形成的特点，是研究的核心，在植入式医疗设备中具有潜在的应用价值
Takeuchi说:“实验工作，特别是在完全包裹在不锈钢中的电池中的原位x射线衍射，应该对工业有用，因为它可以穿透原型和生产水平的电池，跟踪它们在运行期间的结构演变。”
石溪州立大学(Stony Brook)的研究生博克(David Bock)合成并组装了这些一次性电池。在电池放电时，储存在阳极的锂离子会移动到阴极，在这一过程中取代银离子。然后，位移的银与自由电子和未使用的阴极材料结合，形成导电银金属基体，作为阻碍电子流动的管道。
“为了可视化电池内的阴极过程并观察银网络的形成，我们需要一个非常精确的系统，具有能够穿透钢电池外壳的高强度x射线，”研究合著者、石溪大学研究副教授Amy Marschilok说。“所以我们转向了NSLS。”
在NSLS的能量色散x射线衍射(EDXRD)提供了实时-原位可视化数据。在EDXRD中，强烈的x射线束穿过样品，随着电池结构弯曲x射线束而损失能量。每组检测到的光束角度，就像延时图像一样，揭示了电池放电过程中化学物质的变化。
“银在小于10纳米的粒子中形成，衍射图案可以是密集的，也可以是微弱的，”布鲁克海文实验室的科学家Zhong Zhong说，他为NSLS的x射线实验进行了关键的对准。
数据收集完成后，布鲁克海文实验室博士后研究员、研究合著者凯文·科申鲍姆(Kevin Kirshenbaum)领导了数据分析工作。“这种分析和解释需要相当多的时间和专业知识，但结果可能是惊人的，”Kirshenbaum说。
2014年9月，NSLS结束了它32年的实验运行，但它强大的继任者已经在布鲁克海文实验室采集数据。国家同步加速器光源II (NSLS-II)提供的光束比NSLS亮10000倍。该团队计划利用这个新资源继续他们的电池研究。
合著者Kenneth Takeuchi说:“我们目前正在研究形成导电网络的其他材料，并希望将它们作为功能细胞来研究。”“NSLS-II更明亮的光束和更高的空间分辨率将成为研究其他阴极和推动这项技术向前发展的重要工具。”这项研究是由美国能源部基础能源科学办公室资助的。
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