在过去的三十年里，锂离子电池，一种将锂离子来回移动到充电和放电的可充电电池，使得小型设备的充电速度更快，持续时间更长。由SLAC的斯坦福材料与能源科学研究所的教员、斯坦福材料科学教授威廉·崔领导的一个国际研究小组今天发表了这些发现。天然材料.“以前，它有点像一个黑匣子，”麻省理工学院教授、这项研究的另一位负责人马丁·巴赞(MartinBazant)说。“你可以看到材料工作得很好，某些添加剂似乎也有帮助，但你不能确切地知道锂离子在这个过程的每一步都会往哪里走。”你只能尝试发展一种理论，并从测量中倒退。有了新的仪器和测量技术，我们开始对这些东西的工作原理有了更严格的科学理解。“爆米花效应任何乘坐过电动巴士、使用过电动工具或使用过无绳真空的人，都有可能从他们研究的电池材料中获益，磷酸铁锂。它也可以用于汽车的启动-停止功能与内燃机和储存风能和太阳能的电网。更好地理解这种材料和其他类似材料可能会导致更快的充电，更长的寿命和更耐用的电池。但直到最近，研究人员还只能猜测能让它发挥作用的机制。当锂离子电池充放电时，锂离子从液体溶液中流入固体储藏室。但是一旦进入固体，锂就会重新排列，有时导致材料分裂成两个不同的相，就像油和水混合在一起时分开一样。这就造成了觉悟所谓的“爆米花效应”。离子聚集在一起，形成热点，从而缩短电池寿命。
在这项研究中，研究人员使用了两种X射线技术来探索锂离子电池的内部工作.在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)上，他们将X射线从磷酸铁锂样品中反射出来，以揭示其原子结构和电子结构，让他们了解锂离子在材料中是如何移动的。在伯克利实验室的高级光源(Als)上，他们使用X射线显微镜放大了这个过程，让他们能够描绘出锂的浓度随时间的变化。上游游以前，研究人员认为磷酸铁锂是一种一维导体，这意味着锂离子只能向一个方向穿过大部分物质，就像鲑鱼游向上游一样。但是，在仔细研究他们的数据时，研究人员注意到，锂在材料表面的运动方向与根据先前模型预测的方向完全不同。就好像有人把一片叶子扔到溪面上，发现水流的方向和游鲑鱼完全不同。当锂离子流入电池的固体电极-这里是六角形切片-锂可以重新排列，导致离子聚集成热点，从而缩短电池寿命。学分：斯坦福大学/三维图形他们与英国巴斯大学(UniversityofBath，UK)化学教授赛义夫·伊斯兰(SaifulIslam)合作，开发该系统的计算机模型和模拟。这些研究表明，锂离子在材料表面向另外两个方向移动，从而使磷酸铁锂成为三维导体。“事实证明，这些额外的途径是有问题的物质，促进爆米花一样的行为，导致它的失败，”觉清说。“如果锂可以在表面移动得更慢，它将使电池更加均匀。这是发展更高性能和更长寿命电池的关键。“电池工程的新前沿-离子电池确实是新的前沿，“他说。“我们已经发现并开发了一些最好的散装材料。我们已经看到锂离子电池为了跟进这项研究，研究人员将继续将建模、仿真和实验结合起来，试图用SLAC的Linac相干光源(LCLS)等设备，在许多不同的长度和时间尺度下，了解有关电池性能的基本问题。在LCLS中，研究人员将能够以每秒数万亿分之一的速度探测单个离子跳跃。“
来自俄罗斯国家研究核子大学(俄罗斯)的研究人员则在延长锂电池使用寿命上有了新突破，他们正在研制含镍-63纳米团簇放射性同位素膜的放射性同位素β-伏打电池。其概念是开发寿命为100年的安全核电池，用于起搏器、微型葡萄糖传感器、动脉血压监测系统、遥控物体和微型机器人以及能够长期工作的独立系统。研究成果发表在杂志上。应用物理信函.研究人员比以往任何时候都更感兴趣的项目，开发纳米技术，以微型化技术设备，主要是纳米电子系统。在创造将纳米电子学和机械元件结合起来的微机电和纳米机电系统方面的最新成就可以使开发微观物理、生物或化学传感器成为可能。然而，微型电池的缺乏为微机电系统和纳米机电系统提供动力，阻碍了这类设备的大规模引进。今天，科学家们正在研究制造微型锂离子电池、太阳能电池板、燃料电池和各种类型的冷凝器的可能性。然而，这些电池仍然太大，无法开发真正的微观和纳米系统。另一种为先进的微机电和纳米机电系统供电的方法是使用放射性同位素电池。无线电同位素或核或原子电池将元稳定元素(原子核)放射性衰变的能量转化为电能。这些元素的质量和体积都有很高的能量密度。持续能量排放的持续时间因核素的选择而异。静音无线电同位素电池可以在没有错误或长期维护的情况下工作。镍-63的独特性能
热电转换被认为是将放射性衰变能量转化为电能的最方便的方法之一。但科学家们也在研究β-伏打电池及其实际应用。通过在微型电池中安装一种发射软β辐射的无线电同位素，可以保护用户和附近的物体免受辐射。因此，这种电池将有广泛的应用。梅菲的研究人员研究了纳米团簇镍膜的电物理性质，并选择了实验的最佳参数，目的是建立一个系统，有效地将镍-63同位素的β衰变能量转化为电能。镍-63同位素是β-伏打过程中最有前途的放射性核素之一。这种软β辐射发射器的半衰期很长，为100.1年。因此，这个独特的元素非常适合为不需要高输出的各种系统供电。
弹性、相对惰性和易于加工的镍是一种有效的金属，就其性能而言.它不必在集装箱内储存和运输。研究人员正试图提高当前系统的效率，将镍-63元素的β衰变能量转化为电能，并寻找替代的物理系统。这种方法很有希望。梅菲的研究人员正在使用新的方法梅菲物理技术计量问题学院的助理教授PyotrBorisyuk说，研究人员已经开发出一种不寻常的物理系统，可以在纳米结构的镍薄膜中产生二次电子，并大大增强β粒子一连串非弹性碰撞所引起的电流信号。他指出：“相对来说，制作一个实验系统是相对容易的，该系统由密集填充的镍纳米团簇组成，纳米粒子在氧化硅表面的梯度分布，这是一种宽带介电，取决于它们的大小。”
研究人员报告说，纳米颗粒梯度分布的镍-63纳米团簇膜的形成结合了两个重要的过程。首先，有可能在预定的方向上开发出由不同纳米颗粒尺寸决定的固定电位差的涂层。其次，它将把镍-63同位素β衰变的能量转化为电流，而不需要额外的难度来生产半导体系统。新型梯度纳米团簇镍薄膜具有独特的性能，具有热电转换的放射性同位素电源几乎无限制的应用。微型核电池可用于微机电和纳米机电系统、起搏器、微型葡萄糖传感器和动脉血压监测系统，还可用于控制远程物体和微型机器人，以及能够在深海、海底和极北运行很长时间的独立系统。
