首次觀察到納米尺度的鋰離子在電池電極的運動情況

上圖所示是電解質分子在納米尺寸電池電極內部排列成層的示例。鋰離子（紫色球）在電池充電和放電過程中必須通過這些層進出電極。圖片來源：美國斯坦福國家加速器實驗室（SLAC）

為筆記本電腦、電動汽車和其他許多現代裝置提供動力的鋰離子電池都是按照一個簡單的物理原理運行的：鋰離子在兩個電極之間來回穿梭，當電池充電時，將自身插入到其中一個電極中，然後隨著電池的排泄而移動到另一個電極上。他們在電池電解液中運行的速度和便利程度決定了電池充電的速度。

如今科學家們已在在幾納米尺寸中的電極中第一次近距離觀察到了這種現象，電子的正常自由活動會在鋰離子的運動路徑上排列成層。

他們這是首次直接觀察到的這種分層的結構，研究人員是利用美國能源部SLAC國家加速器實驗室的X射線實現的。結果表明，改變鋰離子在電解液中的濃度可能會改變分子層的排列，使離子更容易進入和流出電極。

「這個過程的離子進入電極是非常重要的，這關係到你能多快讓電池充電還有電池可以持續多長時間，」Michael Toney說，他是在SLAC斯坦福同步輻射光源的傑出工作的科學家（SSRL）和該研究的合作者。「了解納米級的工作原理可以提高充電速度和效率。」

該研究論文已被發表在《能源與環境科學（Energy & Environmental Science）》雜誌上。

探索新型商業電解質

在鋰離子電池中，電解液由溶劑中的鋰和其他離子組成，溶劑分子在任何液體中都會移動。但是基於理論和以前的計算機模擬，科學家們強烈懷疑在電極旁邊的電解質的微小體積上發生了一些不同的東西。在這裡，他們認為，電極的堅硬表面的存在會促使溶劑分子排列整齊，形成有序的層。然而，通過實驗證實這一點是困難的。

這些新的實驗中，Toney的團隊使用一種金屬氧化物電極材料為代表，浸泡在常見的商品化鋰離子電池的那種電解質中。

通過一個實驗室中的高亮度的X射線束入射到電極表面，通過電解質分析X射線反射，如反射鏡，研究人員能夠確定個別溶劑分子和鋰離子在幾十億分之一米的電極表面的位置和結構情況，Hans-Georg Steinrück說，他是Toney研究小組的一員和並且還是這一實驗的主要操作者。分子動力學模擬結果與實驗結果吻合較好。

「我們可以看到與埃解析度的電極附近的離子和溶劑分子的位置，也看到他們在電極表面的狀態情況，」Steinrück說。「它們被排列在邊界上的定義良好的層中，第一層與電極的表面平行，然後變得更紊亂，更典型的是液體，當你從表面移動時。」這些有序的層使鋰離子更難以快速穿過進入電極。

分子的轉移

然而，由於鋰離子在電解質濃度增加，排列層的改變；它變得更有序，而層越遠，Steinrück說。這使研究人員得出了一個與所期望的幾乎相反的結論。

他說：「我們的假設是，如果你想改善鋰離子的運動情況，你需要減少層的數量，這意味著降低鋰離子濃度而不是增加它。」。

Steinrück說，團隊將通過進一步的研究探索這一途徑，用這種方法得到的基礎知識也可以應用到其他類型的下一代電池和能量存儲系統的研究中。

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