通過更好地了解鋰電池工作的複雜性，科學家們可以找到改善其性能的方法。而來自劍橋大學的科學家們，剛剛開發出了一款強大的新工具。在昨日發表於《自然》雜誌的研究論文中，其介紹了針對《電池中單粒離子動力學的可操作光學追蹤》。這套新穎且低成本的顯微技術，首次為我們揭示了鋰離子的微觀工作。
研究配圖 – 1：LCO 電極的電化學性能與干涉散射顯微鏡
研究團隊希望此類觀察結果，有助於加速智能機 / 電動汽車動力電池的研發，讓未來的我們可以用上只需極短的時間，即可完成充電的新型電池。
論文合著者、來自劍橋大學的 Christopher Schnedermann 博士表示：“優質電池擁有更高的能量密度、或者更快的充電速度，但在理想的情況下，我們希望兼而有之”。
研究配圖 – 2：電池運行期間，活性例子的光學響應。
不過在使用新材料打造更好用的電池之前，我們需要對現有的電池加以改進，並深入了解其內部到底發生了什麼。
尷尬的是，目前只有使用昂貴、複雜的設備，才能達到這一目的 —— 比如動用電子顯微鏡、或者極其強大的同步加速 X 射線機（其強度是典型 X 射線機的數十萬倍）。
研究配圖 – 3：脫鋰 / 鋰化時的雙相相變行為
研究一作 Alice Merryweather 解釋稱，對於科學家們來說，想要研究鋰電池在現實世界條件下真實發生的內部過程，那樣也算不上是一種切實可行的方法。
“基本上，你必須讓顯微鏡同時做兩件事 —— 除了觀察電池在數小時內的充放電，還需要非常迅速地捕捉電池內部發生的過程”。
研究配圖 – 4：施加各種電流密度下的雙相相變行為
為取得突破，劍橋大學科學家們利用了一種被稱作干涉散射顯微鏡的成像技術。通過分析參考光束與散射光的相互作用，即可對微小物體進行同步測量和成像。
基於此，研究團隊得以實時對鈷酸鋰電極內的單個粒子進行成像，並且揭示了一些有趣的行為。比如在充放電過程中，鋰離子在進出時發生相變的顆粒邊界（這點與設備的充電率有很大關係）。
研究配圖 – 5：Li0.5CoO2 組成的單斜畸變動力學（有無形成域的對比）
通過簡單地觀察這種機制，並設法對相關過程進行操縱，也是我們向著提升電池性能而邁出的重要一步。帶領這項研究的 Akshay Rao 博士稱：
“我們發現鋰離子電池有不同的速度限制，且這取決於它是在充電還是放電。比如在充電過程中，其速率取決於鋰離子通過活性材料顆粒的速度。而在放電時，它又取決於例子在邊緣進入的速度”。