你的iPhone电池在亚原子水平上发生了什么?

原载于News@Northeastern由News@Northeastern

有没有想过你的iphone电池内部到底发生了什么?它是如何长时间保持电量的?反过来，为什么在打重要电话时突然没电了?

东北大学的研究人员，由物理学家领导阿伦Bansil多年来，我一直很好奇。尽管人们对锂离子电池(世界上最常见的电池类型之一)内部的原子和亚原子粒子的行为有很多了解，但这种行为很难被发现看到，或者形象化。

了解这些富锂电池的内部工作原理，不仅有助于科学家了解亚原子水平上的实际情况，而且可能会导致电池所用材料的改进，以及未来电池技术的更好设计。由于现代技术社会对汽油燃料的依赖越来越少，反过来，越来越依赖电池，对更便宜、更安全、更高效的电池的需求从未如此之高。

事实证明，在原子水平上观察电池内部并没有任何可靠的方法，也就是说，它的电化学过程，如氧化还原或氧化还原机制，研究人员说，这是电池充电过程中不可或缺的部分。

自称为“电池医生”的班西尔说:“这在该领域是一个真正的挑战。”“简单地说，我们在这里所做的是，我们能够对工作电池进行成像，从而真正看到里面发生了什么。”从字面上看，它是关于观察阴极中不同轨道发生了什么，当它们带电时会发生什么，当它们放电时会发生什么。”

作为一种金属，锂本质上容易失去电子，这使它成为一种合适的电池材料。简化这个过程:锂离子电池的工作原理是锂离子的运动。离子——获得或失去电子的原子——在电池充电或吸收能量时向一个方向移动，然后在放电或供电时向相反方向移动。

“结果就是电池内外都有电流流动，”东北大学物理学杰出教授班希尔说。

氧化还原机制涉及到电池内部电子的转移。但是，Bansil说，真正的问题是氧原子如何影响整个过程。锂与氧相互作用时，就会形成氧化物。

更好地了解这些氧化物在原子尺度上是如何工作的是科学家们一直在追求的，这也正是Bansil和他的团队开始观察的。他们的研究结果发表在本月的《科学》杂志上自然这标志着第一次在锂离子电池内部观察到这种氧氧化还原过程。

其他参与这项研究的机构包括卡耐基梅隆大学、芬兰拉彭兰塔-拉赫蒂理工大学、群马大学、日本同步辐射研究所、横滨国立大学、京都大学和立命馆大学。

研究人员能够产生的是这种亚原子交响乐的第一次层析重建，使用的技术被称为康普顿散射，这种技术已经改进了几十年。这项技术包括向电池发射高能x射线;构成光的光子粒子在与电子相互作用时“散射”，从而产生可以科学测量的结果，因此可以观察到。

但你无法像医生在x光片上看到病人身体某个部位的x光图像那样，得到一个清晰可见的原子活动图像，Bansil说。相反，产生的是“散射数据”，然后研究人员将这些数据转化为关于整个电池内部过程的见解。

Bansil说:“就像医生给病人拍x光片一样，如果你愿意的话，我们同样使用这些x光片来‘成像’这些电池的原子水平行为——这些原子轨道参与了这个充放电过程。”

Bansil说，从理论上讲，这些数据可以用来确定电池是否正确充电，或者评估电池的“充电状态”(给定点的可用电量)。Bansil说，这个快照为科学家们提供了一个如何更好地优化电池材料的指南，一种照亮无限小的、充满粒子的现实的方法。

这就是现在所需要的。Bansil说，这是一种“范式转变”，能够穿透一个封闭的锂电池，并重建粒子活动的实际交换，代表了未来电池技术研究的重要一步。

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最后更新于2022年3月24日