未來出行交通工具主要包括電動汽車、卡車和飛機等 但單一電池設計顯然無法滿足復雜的需求。未來幾十年 可能需要根據具體用途來定制電池 因此要盡可能準確地了解各類電池的內部狀態。

每種電池的工作原理都相同 即由離子（也就是帶電荷的原子或分子）通過電解液將電流從負極傳送到正極 然后再返回來。通過準確了解不同的離子如何在不同類型電解液中移動 研究人員可以找到改變這種傳送方式的方法 從而創造出以最適合特定用途的方式進行充放電的電池。

據外媒報道 在一項突破性發現中 科學家們結合多種技術 來精確測量在電池中移動的離子。研究人員利用阿貢國家實驗室的先進光子源（APS） 不僅可以在電池運行時觀察其內部狀態 并實時測量反應進程 同時也為使用不同類型電池進行類似實驗打開了大門。

研究人員與聯合儲能研究中心（JCESR）合作得出這一結果 詳細描述鋰離子通過聚合物電解質的速度。主要研究人員、德國帕德伯恩大學（Paderborn University）教授Hans-Georg Steinrück表示：“通過結合不同的實驗方法來測量速度和濃度 并將其與理論數據進行比較 我們已證明其可能性 現在我們將在其他性質不同的系統上進行測量。”

這些測量是在APS的8-ID-I光束線上進行的 包括使用超亮X射線測量離子通過電池的速度 并在模型電池放電時 測量電解液中的離子濃度。研究小組隨后將所得到的結果與數學模型進行比較 并得到一個極為精準的數字 即離子導電率（代表離子攜帶的電流）。

從本質上來說 離子導電率（transport number）是帶正電的離子攜帶的電流相對于總電流的量。研究小組通過計算得出的這個數字大約為0.2。研究人員表示 這種測量離子運動的新方法十分敏感 因此所得出的結論與其他方法不同。科羅拉多大學博爾德分校（University Of Colorado Boulder）的Michael Toney教授表示：“傳統方法是通過分析電流來測量離子導電率。然而 目前還不清楚這些電流中有多少是通過鋰離子產生 有多少是由你在分析中不想要的其他因素造成的。原理很簡單 但我們必須進行準確測量。這是真正的概念驗證項目。”

在這項實驗中 研究小組使用的是固體聚合物電解質 而不是鋰離子電池中廣泛使用的液體電解質。這是因為聚合物不易燃 更加安全。研究人員之一Venkat Srinivasan表示 以往研究電池內部工作原理時 最好的方法是向電池發送電流 然后進行分析。現在 科學家們可以通過實時跟蹤離子運動 找到改變運動狀態的機會 以滿足電池設計需求。他說：“以前我們必須把這些點連接起來 現在我們可以直接、清晰地探測離子。”

阿貢X射線科學部門的物理學家Eric Dufresne表示 在這項實驗中 研究團隊利用APS提供的關聯性 可以獲得速度僅為每秒納米的結果。“這是一項非常徹底和復雜的研究 以新穎的方式結合X射線技術 既是這方面的一個很好的例證 也是向開發未來應用邁出的一步。”

Dufresne及其同事指出 只有APS對其電子存儲環進行升級時 才能更好地進行實驗 使其產生的X射線的亮度增加500倍。Dufresne表示：“通過APS升級 我們可以推進動態研究進程 使其達到比微秒更好的水平。我們將聚焦光束 對更厚的材料進行更細微的測量。升級將賦予我們獨特的能力 使我們能進行更多類似實驗。”

研究團隊表示 下一步將分析更復雜的聚合物和其他材料 并最終轉向研究液體電解質。Toney希望探討其他類型材料的離子 比如鈣和鋅。對于實現針對具體用途設計電池的最終目標來說 測試各種材料具有重要意義。Srinivasan表示：“如果我們想要制造高能、快速、安全和持久的電池 就需要更多地了解離子運動 以及電池內部的情況 并利用這些知識設計新材料。”責任編輯：YYX