随着行业和消费者越来越多地寻求改进的电池电源，能源部橡树岭国家实验室进行的尖端显微镜检查为锂离子电池的运行提供了前所未有的视角。
由ORNL的Nina Balke，Stephen Jesse和Sergei Kalinin领导的研究小组开发了一种新型扫描探针显微镜，称为电化学应变显微镜(ESM)，用于检测锂离子通过电池阴极材料的运动。该研究发表在Nature Nanotechnology上。
“我们可以提供纳米体积的离子运动的详细图片，这超过了最先进的电化学技术六到七个数量级，”Kalinin说。研究人员通过将电压与ESM探头一起施加到电池层状阴极表面来实现结果。通过测量相应的电化学应变或体积变化，该团队能够可视化锂离子如何流过材料。Kalinin解释说，分析电流而不是应变的常规电化学技术在纳米级别上不起作用，因为电化学电流太小而无法测量。
“据我们所知，这是在这种空间分辨率下锂离子流量的第一次测量，”Kalinin说。
从手机到电动汽车为电子设备供电的锂离子电池因其重量轻，能量密度高和充电能力强而着称。研究人员希望通过向工程师提供有关电池组件和动态的精确调整知识来扩展电池的性能。
“我们希望了解 - 从纳米级的角度来看 - 是什么让一个电池工作，一个电池失效。这可以通过检查单个颗粒或扩展缺陷的功能来完成，”Balke说。
该团队的ESM成像可以显示诸如单个晶粒，晶粒簇和阴极材料内的缺陷等特征。例如，高分辨率绘图显示锂离子流可以沿着晶界集中，这可能导致开裂和电池故障。研究人员表示，需要检查这些类型的纳米级现象并将其与整体电池功能相关联。
“纳米水平上的微小变化可能对设备水平产生巨大影响，”Balke说。“了解这种长度的电池可能有助于为材料工程提出建议。”
尽管该研究主要集中在锂离子电池上，但该团队预计其技术可用于测量其他电化学固态系统，包括其他电池类型，燃料电池和使用纳米级离子运动进行信息存储的类似电子设备。
“我们将这种方法视为我们在CNMS开发的各种高维扫描探针技术的一个例子，使我们能够看到纳米级复杂材料的内部工作原理，”Jesse说。“这些能力与日益重要的能源研究领域特别相关。”
Balke，Jesse和Kalinin是ORNL纳米材料科学中心的研究科学家。研究团队包括来自ORNL材料科学与技术部的Nancy Dudney，Yoongu Kim和Leslie Adamczyk。这项工作的关键理论成果来自乌克兰国家科学院的Anna Morozovska和Eugene Eliseev以及普渡大学的Tony Chung和Edwin Garcia。
该研究得到了流体接口反应，结构和运输中心的支持，该中心是能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心。