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（圖片來源：techxplore）

 

       未來出行交通工具主要包括電動汽車、卡車和飛機等，但單一電池設計顯然無法滿足復雜的需求。未來幾十年，可能需要根據具體用途來定制電池，因此要盡可能準確地了解各類電池的內部狀態。

 

       每種電池的工作原理都相同，即由離子（也就是帶電荷的原子或分子）通過電解液將電流從負極傳送到正極，然后再返回來。通過準確了解不同的離子如何在不同類型電解液中移動，研究人員可以找到改變這種傳送方式的方法，從而創造出以最適合特定用途的方式進行充放電的電池。

 

       據外媒報道，在一項突破性發現中，科學家們結合多種技術，來精確測量在電池中移動的離子。研究人員利用阿貢國家實驗室的先進光子源(APS），不僅可以在電池運行時觀察其內部狀態，并實時測量反應進程，同時也為使用不同類型電池進行類似實驗打開了大門。

 

       研究人員與聯合儲能研究中心(JCESR)合作得出這一結果，詳細描述鋰離子通過聚合物電解質的速度。主要研究人員、德國帕德伯恩大學（Paderborn University）教授Hans-Georg Steinrück表示：“通過結合不同的實驗方法來測量速度和濃度，并將其與理論數據進行比較，我們已證明其可能性，現在我們將在其他性質不同的系統上進行測量。”

 

       這些測量是在APS的8-ID-I光束線上進行的，包括使用超亮X射線測量離子通過電池的速度，并在模型電池放電時，測量電解液中的離子濃度。研究小組隨后將所得到的結果與數學模型進行比較，并得到一個極為精準的數字，即離子導電率（代表離子攜帶的電流）。

 

       從本質上來說，離子導電率（transport number）是帶正電的離子攜帶的電流相對于總電流的量。研究小組通過計算得出的這個數字大約為0.2。研究人員表示，這種測量離子運動的新方法十分敏感，因此所得出的結論與其他方法不同。科羅拉多大學博爾德分校(University Of Colorado Boulder)的Michael Toney教授表示：“傳統方法是通過分析電流來測量離子導電率。然而，目前還不清楚這些電流中有多少是通過鋰離子產生，有多少是由你在分析中不想要的其他因素造成的。原理很簡單，但我們必須進行準確測量。這是真正的概念驗證項目。”

 

       在這項實驗中，研究小組使用的是固體聚合物電解質，而不是鋰離子電池中廣泛使用的液體電解質。這是因為聚合物不易燃，更加安全。研究人員之一Venkat Srinivasan表示，以往研究電池內部工作原理時，最好的方法是向電池發送電流，然后進行分析。現在，科學家們可以通過實時跟蹤離子運動，找到改變運動狀態的機會，以滿足電池設計需求。他說：“以前我們必須把這些點連接起來，現在我們可以直接、清晰地探測離子。”

 

       阿貢X射線科學部門的物理學家Eric Dufresne表示，在這項實驗中，研究團隊利用APS提供的關聯性，可以獲得速度僅為每秒納米的結果。“這是一項非常徹底和復雜的研究，以新穎的方式結合X射線技術，既是這方面的一個很好的例證，也是向開發未來應用邁出的一步。”

 

       Dufresne及其同事指出，只有APS對其電子存儲環進行升級時，才能更好地進行實驗，使其產生的X射線的亮度增加500倍。Dufresne表示：“通過APS升級，我們可以推進動態研究進程，使其達到比微秒更好的水平。我們將聚焦光束，對更厚的材料進行更細微的測量。升級將賦予我們獨特的能力，使我們能進行更多類似實驗。”

 

       研究團隊表示，下一步將分析更復雜的聚合物和其他材料，并最終轉向研究液體電解質。Toney希望探討其他類型材料的離子，比如鈣和鋅。對于實現針對具體用途設計電池的最終目標來說，測試各種材料具有重要意義。Srinivasan表示：“如果我們想要制造高能、快速、安全和持久的電池，就需要更多地了解離子運動，以及電池內部的情況，并利用這些知識設計新材料。”