可充电电池为电动汽车和可穿戴设备提供动力，但障碍限制了更时尚，更持久和更高效的电源。当带电原子(称为离子)通过称为电解质的分子的促进混合物从正端(阳极)到负端(阴极)在电路中移动时，电池产生电。

能源部橡树岭国家实验室的科学家正在改进锂电池的使用寿命，锂电池是一种可以紧密堆积在石墨阳极材料中的小原子。随着电池充电，有价值的离子被耗尽，并且在初始充电期间它们也会在电池的阳极上形成薄涂层而丢失。ORNL研究人员使用世界上最强大的两个中子科学设施来试图了解这一现象背后的动力学。

在发表在物理化学杂志C上的一篇论文中，ORNL的研究人员专注于薄涂层的自发生长，称为固体电解质界面(SEI)。这种纳米级涂层可以保护和稳定新电池，但需要付出代价。电解质是由氢，碳，锂和氧组成的分子的混合物，被迫分解形成这种薄膜。

“重要的是增加我们可以装入电池的锂量，”首席作者兼材料科学与技术部科学家Robert Sacci说。“当你开发出一种电池时，你就会放入过量的锂电池，因为大量的锂电池会被吃掉或被用于形成这种薄膜。”

Sacci及其同事使用称为中子的亚原子粒子束在第一次充电周期中研究电池的原子反应性。中子是必要的，因为它们可以很容易地进入三维结构并且对氢浓度的变化很敏感，氢浓度是电解质的主要成分。

ORNL的研究人员利用世界上最强脉冲光束散裂中子源(SNS)的中子和最高连续光束研究反应堆高通量同位素反应堆(HFIR)来研究阳极样品。他们在光束穿透材料后跟踪中子的散射路径，创建了不断更新的样本分子动力学图。

中子散射是理解原子尺度电池活动的关键。虽然中子的衍射光束对大多数人来说似乎是混乱的 - 就像从各个方向的迪斯科球上跳舞的光 - 技术科学家利用这些散射信号来计算SEI层发展时的化学和结构变化。

电池胶片是朋友还是敌人?

一旦形成SEI层，它就会缓冲电解质的降解并防止金属沉积物在锂化石墨阳极上形成危险的积聚，从而增加电池的寿命周期。

Sacci和他的团队想知道预制薄膜是否可以保护阳极，同时最大限度地减少锂离子的消耗。

ORNL科学家通过高强度研磨将锂原子纳入石墨中的空位。结果是粉末状带电的阳极材料，然后它们浸入电解质溶液中。

在每个锂化石墨颗粒周围形成薄膜，将其封装。此时，科学家们已准备好对样品进行中子散射测试，以获得SEI层在锂离子电池初始充电过程中如何产生的全新视角。

研究人员使用SNS的振动光谱仪VISION获取有关SEI层的化学信息。HFIR允许ORNL科学家使用小角度中子散射(SANS)技术绘制薄膜结构图并绘制有关其形成的新信息。

“使用VISION，我们可以测量原子的振动，它们告诉我们它们是如何在分子内结合的，并且使用SIR(HFIR上的散射仪器)，你或多或少地看到粒子有多大以及它们是如何排列的，“萨奇说。

在探索了锂化石墨阳极材料之后，Sacci和他的能源研究人员现在了解了薄保护层在阳极上产生的化学过程。

“我们能够肯定地说，是的聚合物形成了，颗粒看起来更大 - 这意味着它们上面生长了一层 - 它们之间的联系更加紧密，”Sacci说。

“在电池组装之前形成这种聚合物固体电解质界面的优势在于电池可以使用更长时间，并且它是向我们提供如何设计这些人造界面的线索的良好垫脚石。”

该研究得到了流体界面反应，结构和运输(FIRST)中心的支持，该中心是由能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心。在ORNL的DOE科学用户设施办公室的Spallation Neutron Source和High Flux Isotope Reactor上进行了工作。