光谱研究的进展可能会导致更安全的可充电电池

杜克大学和橡树岭国家实验室的研究人员发现了一种方法，可以用光谱法为笔记本电脑和手机等消费电子产品提供更安全的可充电电池。

他们的研究揭示了硒化银铬(一种被称为超离子导体的材料)的原子动力学，即使在部分溶解内部晶体结构而外部结构保持完整的温度下，也能继续导热。在超离子导体中，液态层中的原子可以像水一样快地移动，并且仍然带着电荷。液固结构混合对材料导热性能和超导电性能的影响一直存在争议。

“固体和液体具有非常不同的热传导机制，”参与这项研究的ORNL研究员詹妮弗·尼泽拉(Jennifer Niedziela)说。“我们能够证明的是，尽管存在强烈的结构紊乱，包括一层液体状的银层，但系统中仍然有传热和稳定的固体骨干。”

该团队依赖于在ORNL的散裂中子源(SNS)和阿贡国家实验室的先进光子源(APS)进行的实验。这一发现可以用于开发一种替代商用锂电池的替代品，商用锂电池为大多数日常电子产品提供动力。

“如果没有中子和x射线，我们不可能做到这一点，”Niedziela说。“这才是真正开启一切的东西。能够使用这些先进的工具来实现这些突破真的很令人兴奋。”

该团队由杜克大学研究生丁景轩(Jingxuan Ding)和时任ORNL博士后研究员的Niedziela领导。奥利维耶·德莱尔是杜克大学机械工程和材料科学副教授，也是ORNL的前Shull研究员，他作为高级作者监督了这项研究。

当电子以电流的形式通过外部电路时，带正电荷的离子通过电池电极之间的液体电解质在锂离子电池内移动。这一过程可以为设备供电，但如果电池短路，液体电解质就会在错误的条件下升温、起火或爆炸。

德莱尔说:“如果你把螺丝刀插进手机里，情况会变得非常糟糕。”“如果我们能完全摆脱这种易燃的液体成分，用固体代替它，我们就会有更安全的电池。

“如果我们能找到离子可以足够快地移动的固体材料，我们就不再需要液体了。但是这种离子如何移动的行为是我们很难理解的。”

实验的重点是加热晶体结构，直到其内部的银离子开始以接近水等液体分子的速度无阻碍地来回流动和跳跃。这个过程减慢了声子——原子振动传递的热能波——但并没有阻止它们。

“我们能够证明晶体结构保持完整，由晶体支撑的热传导仍然强劲，允许散热。”Niedziela说。

“在科学文献中，关于这些传热机制在这种情况下如何持续存在着争论。人们认为，当银像液体一样完全扩散时，传递热量的能力就会大大降低。

“但实际上，银的扩散非常缓慢，热浪到达那里，看到银原子，然后继续前进。银原子跳动得太慢，而热浪移动得太快。”

该团队使用了ORNL在SNS上的冷中子斩波光谱仪和广角范围斩波光谱仪，以及在APS上的高分辨率非弹性x射线光谱仪上的x射线散射，近距离观察离子流动的情况。国家能源研究科学计算中心的高速计算机帮助分析了结果。

德莱尔说:“我们从中子和x射线测量中得到了很多漂亮的数据，但要让你的头脑理解你所看到的东西可能是一个挑战。”

具有良好传热性能的超离子导体可以为下一代可移动电源提供途径，例如不太可能爆炸的笔记本电脑电池。

德莱尔说:“例如，当你用钠取代银时，它也会经历这种转变，钠离子在加热下变成液体。”“我们需要在更深层次上了解这些材料中的原子以及它们跳跃的方式。这些材料可以使下一代电池成为可能。”

研究人员预计，一旦第二个目标站在SNS投入使用，就会有更多的发现机会。

德莱尔说:“我们将能够看到更小的样本，并能更仔细地观察。”

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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