固态锂硫电池：中子揭示缓慢的电荷传输

固态锂硫电池：中子揭示缓慢的电荷传输

与传统锂离子电池相比，固态锂硫电池具有更高能量密度和更高安全性的潜力。然而，目前固态电池的性能存在不足，充放电慢是主要原因之一。现在，一项新的研究表明，复合阴极内锂离子传输缓慢是造成这种缓慢充电和放电的原因。
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科学家们设计了一种特殊的电池，以观察固态锂硫电池中锂离子在阳极和阴极之间的传输。由于很难用 X 射线方法检测到锂，因此 HZB 物理学家 Robert Bradbury 博士和 Ingo Manke 博士用对锂极其敏感的中子检查了样品电池。他们与 HZB 的 Nikolay Kardjilov 博士一起，在柏林中子源 BER II 1 的 CONRAD2 仪器上使用了中子射线照相术和中子层析成像方法。来自吉森 (JLU)、布伦瑞克 (TUBS) 和于利希 (FZJ) 的团队也参与了这项工作。

直接观察锂离子

“我们现在对限制电池性能的因素有了更好的了解，”布拉德伯里说：“我们从原位中子射线照相数据中看到，锂离子在复合阴极中有一个反应前沿，证实了低效离子的负面影响。电导率。” 此外，3D 中子断层扫描图像显示，在充电过程中，捕获的锂集中在集电器附近。“这会导致容量减少，因为当电池充电时，只有部分锂被运回。”

观察到的锂分布非常适合基于多孔电极理论的模型：“我们在中子成像数据中观察到的与模型中相关的电子和离子电导率条件密切相关”，布拉德伯里说。

瓶颈已确定

这些结果揭示了先前被忽视的固态电池发展瓶颈，表明由于离子传输缓慢，阴极复合材料存在局限性。现在的挑战是在阴极复合材料中实现更快的离子传输。“如果不直接观察阴极复合材料内部的反应前沿，这种效应可能不会被注意到，尽管它对固态电池的发展很重要，”布拉德伯里说。

脚注 1：实验发生在 2019 年底，在中子源 BER II 关闭之前。作为 HZB、Laue-Langevin 研究所（法国）和格勒诺布尔大学（法国）之间的联合研究小组“NI-Matters”的一部分，这项工作将在未来继续进行。