为了可视化并研究包含一种新型材料氟化铁的锂离子充电电池的电化学反应，美国威斯康星大学麦迪逊分校和布鲁克海文国家实验室的研究人员开发了一种新型的X射线成像技术，也正是在这一开创性的举动中，发现了一种能够提高从便携式电子设备至微型智能电网所有事物中储存能量的方法。

“氟化铁拥有提高传统锂离子电池三倍储存能量的潜力，”美国威斯康星大学麦迪逊分校化学教授及威斯康星能源研究所研究员Song Jin说道，“不过，我们还没有挖掘出其真正的潜力。”

在布鲁克海文国家同步辐射光源实验室，研究生Linsen Li与Jin及其他研究员合作使用最先进的透射X光显微镜进行实验。在那里，他们通过现行填塞氟化铁的纽扣电池，在其电池循环期间获取化学图像，从而确定他们的性能如何。该研究结果发表于最近的《自然通讯》杂志。

“在过去，我们无法真正了解在电池反应期间，氟化铁发生了什么反应，这是因为其他的电池组件对我们获取精确的图像形成了阻碍”Li说道。

通过解释那些可能会对图像造成混淆的背景信号，Li能在纳米级别上，准确地可视化并测量氟化铁储存和释放能量时发生的化学变化。

迄今为止，对科学家来说，使用氟化铁的可充电锂离子电池仍存在两项艰巨的挑战。第一，这种电池当前的形式再充电性能并不是很好。

“这就像是你的智能手机所充的电只有第一次的一半之多，然后越来越少，”李说，“消费者自然希望拥有一块充电上百次，电量几乎不变的电池。”

通过在纳米级别研究氟化铁在电池中的转换，Jin和Li的新X射线成像法精确定位了每一个单独的反应，从而使我们理解为什么会发生容量衰减。

“根据在这个层面上所分析的X射线数据，较之于以前的方法，我们能够更准确地了解其电化学反应的进展，同时在其具备一个多孔微结构时，确定其表现出更好的性能，”李说道。

第二个挑战是，氟化铁电池材料所释放的能量要少于它们所吸收的能量，这就等于降低了能源使用的效率。关于这个问题，目前的研究取得了一些初步的进展，Jin和Li计划在未来的实验中来解决这一挑战。

这项研究所带来的一些进步是显而易见的，比如充电后更长时间地使用便携式电子设备，但Jin认为这项研究未来可以在一个更大，更广的范围中为人们使用。

“如果我们能够最大限度地发挥这些低成本且充裕的氟化铁锂离子电池材料的循环性能和效率，那么我们就可以推动大规模的可再生能源储存技术，使其应用于电动车和微型电网，”他说道。
Jin相信，新的X射线成像技术也能够促进其他重要的固态电子学技术转变的研究，并有助于改善诸如制备无机陶瓷和薄膜太阳能电池的进程。

该实验的进行是在Yu-chen Karen Chen-Wiegart，Feng Wang，Jun Wang和其他在布鲁克海文国家同步辐射光源实验室Beamline X8C的同事的帮助下共同完成的，同时得到了美国能源基础能源科学部的支持，以及威斯康辛州能源研究所种子基金的资助。

Jin实验室中的合成电池材料是由美国国家科学基金会材料研究部提供支持的。



来源：材料与测试
译者：兔子小光
译自sciencedaily
 
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