研究人员开发了一种简单的基于实验室的技术，使他们能够查看锂离子电池内部并实时跟踪锂离子在电池充电和放电时的移动，这在以前是不可能的。研究人员使用低成本技术确定了限速过程，如果解决这些问题，大多数智能手机和笔记本电脑中的电池可以在短短五分钟内充电。

剑桥大学的研究人员表示，他们的技术不仅有助于改进现有电池材料，还可以加速下一代电池的开发，这是向无化石燃料过渡过程中需要克服的最大技术障碍之一。世界。结果发表在《自然》杂志上。

虽然与其他电池和储能方式相比，锂离子电池具有不可否认的优势，例如相对较高的能量密度和较长的寿命，但它们也可能过热甚至爆炸，并且生产成本相对较高。此外，它们的能量密度远不及汽油。到目前为止，这使得它们不适合在两大清洁技术中广泛使用：电动汽车和太阳能发电的电网规模存储。

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：“更好的电池可以存储更多能量，或者可以更快充电——理想情况下两者兼而有之。” “但为了用新材料制造更好的电池，并改进我们已经使用的电池，我们需要了解它们内部发生了什么。”

为了改进锂离子电池并帮助它们更快地充电，研究人员需要实时跟踪和了解在现实条件下功能材料中发生的过程。目前，这需要复杂的同步加速器 X 射线或电子显微镜技术，这些技术既耗时又昂贵。

“要真正研究电池内部发生的事情，你基本上必须让显微镜同时做两件事：它需要观察电池在几个小时内的充电和放电，但同时它需要非常快速地捕捉电池内部发生的过程，”第一作者 Alice Merryweather 博士说。剑桥卡文迪许实验室的学生。

剑桥团队开发了一种称为干涉散射显微镜的光学显微镜技术来观察这些工作过程。使用这种技术，他们能够通过测量散射光的量来观察锂钴氧化物(通常称为 LCO)充电和放电的单个颗粒。

他们能够看到 LCO 在充放电循环中经历了一系列相变。LCO 颗粒内的相界随着锂离子的进出而移动和变化。研究人员发现，移动边界的机制因电池是充电还是放电而异。

“我们发现锂离子电池有不同的速度限制，这取决于它是充电还是放电，”领导这项研究的卡文迪什实验室的 Akshay Rao 博士说。“充电时，速度取决于锂离子通过活性物质颗粒的速度。放电时，速度取决于离子在边缘插入的速度。如果我们能控制这两种机制，就可以实现锂离子电池充电速度更快。”

“考虑到锂离子电池已经使用了几十年，你会认为我们知道关于它们的一切，但事实并非如此，”施内德曼说。“这项技术让我们看到它通过充放电循环的速度有多快。我们真正期待的是使用该技术来研究下一代电池材料——我们可以利用我们对 LCO 的了解开发新材料。”

剑桥大学优素福·哈米德化学系的克莱尔·格雷教授说：“该技术是观察固态材料中离子动力学的一种非常通用的方法，因此您几乎可以将其用于任何类型的电池材料。”研究。

该方法的高通量特性允许在整个电极上对许多粒子进行采样，并且进一步探索电池失效时会发生什么以及如何预防它。

“我们开发的这种基于实验室的技术为技术速度带来了巨大变化，因此我们可以跟上电池快速发展的内部工作，”施内德曼说。“事实上，我们可以实时看到这些相边界的变化，这真的很令人惊讶。这项技术可能是下一代电池开发过程中的一个重要难题。”