X 射線斷層掃描可以改善固態電池的性能

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研究人員使用 X 射線斷層掃描來監測固態電池材料在充電和放電過程中的行為。

來自聯邦材料研究與測試研究所 (BAM)、柏林洪堡大學、柏林亥姆霍茲中心和 Hereon 的研究人員通過交叉合作，成功地使用 X 射線斷層掃描觀察固態電池過程在充電和放電過程中生成高分辨率的三維 (3D) 圖像。研究人員還發現，施加壓力可以減少電池材料的開裂/斷裂。

研究人員檢查了固態電池工藝。圖片由Adob​e Stock提供

固態與鋰離子電池

在德克薩斯大學奧斯汀分校的科克雷爾工程學院，以 94 歲高齡的鋰離子 (Li-ion) 電池的共同發明者 John Goodenough 教授為首的一組研究人員開發出世界上第一個全-固態電池。Goodenough 與高級研究員 Maria Helena Braga 一起工作。

固態電池被認為是電池的未來。研究發現，這些類型的電池比鋰離子電池更安全、更高效且更便宜。

由於液態電解質 (LE) 固有的易燃性，鋰離子電池可能會過熱並着火。另一方面，固態電池沒有 LE，而是固態電解質 (SE)，這意味着它們即使過熱也不會燃燒或爆炸。固態電池無需添加安全組件，在考慮為更小尺寸應用設計電池時，這也節省了空間。

CuS 固態電池內部的 3D 重建，因為銅微晶在 CuS 顆粒中形成。圖片由Helmholtz-Zentrum Berlin提供

固態電池相對於鋰離子電池的其他優勢包括更高的能量密度和更短的充電時間。充電過程只需幾分鐘，因此您可以在充電後立即使用手機，而不是像傳統鋰離子電池那樣等待數小時。這也意味着像您的手機這樣的設備將持續更長時間，因為您不會在長時間充電時使用它！

研究團隊應用 X 射線斷層掃描

選擇天然存在的硫化銅 (CuS) 作為所研究的正極電池材料。由 Philipp Adelhelm 教授和 Ingo Manke 博士領導的研究小組使用 X 射線層析成像術觀察導致大銅微晶形成的放電反應。

Philipp Adelhelm 教授。圖片由Adelhelm Group提供

X 射線層析成像是一種表徵技術，它使用 X 射線在多個方向上通過物體的內部結構產生輻射。X 射線傳感器用於將逸出的 X 射線輻射捕獲為二維 (2D) 射線照相圖像。處理圖像以創建 3D 圖像，可以從中提取詳細的結構信息。該反應以 3D 形式進行追蹤，研究人員首次可以追蹤陰極粒子的運動。

通過嚴格的實驗，研究人員表明高壓可以減少稱為開裂或破裂的現象。在充電和放電過程中，電極和電池水平的體積變化會導致斷裂發生，這些斷裂會影響電池的運行和性能。