一种指导开发更快更持久的下一代电池的技术

清洁高效的储能技术对于建立可再生能源基础设施至关重要。锂离子电池已经在个人电子设备中占据主导地位，并且有望成为可靠的电网级存储和电动汽车的候选者。然而，需要进一步开发以提高它们的充电率和使用寿命。

为了帮助开发这种更快充电和更持久的电池，科学家们需要能够了解运行电池内部发生的过程，以确定电池性能的局限性。目前，在工作时可视化活性电池材料需要复杂的同步加速器X射线或电子显微镜技术，这些技术既困难又昂贵，而且通常无法快速成像以捕捉快速充电电极材料中发生的快速变化。因此，单个活性粒子的长度尺度和商业相关的快速充电速率上的离子动力学在很大程度上仍未得到探索。

剑桥大学的研究人员通过开发一种低成本的基于实验室的光学显微镜技术来研究锂离子电池，从而克服了这个问题。他们检查了Nb14W3O44的单个颗粒，这是迄今为止充电速度最快的阳极材料之一。可见光通过一个小玻璃窗发送到电池中，使研究人员能够在现实的非平衡条件下实时观察活性粒子内的动态过程。这揭示了通过单个活性颗粒的前状锂浓度梯度，导致内部应变导致一些颗粒断裂。

颗粒破裂是电池的一个问题，因为它会导致碎片的电气断开，从而降低电池的存储容量。“这种自发事件对电池有严重影响，但在此之前永远无法实时观察到，”来自剑桥卡文迪什实验室的合著者克里斯托夫施内德曼博士说。

光学显微镜技术的高通量能力使研究人员能够分析大量颗粒，揭示出颗粒破裂在脱锂率较高和颗粒较长时更为常见。“这些发现提供了直接适用的设计原则，以减少这类材料中的颗粒断裂和容量衰减，”第一作者、博士、博士AliceMerryweather说。剑桥卡文迪许实验室和化学系的候选人。

展望未来，该方法的主要优势——包括快速数据采集、单粒子分辨率和高通量能力——将有助于进一步探索电池失效时会发生什么以及如何预防。该技术可用于研究几乎任何类型的电池材料，使其成为下一代电池开发中的重要拼图。

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