電池存在測試和測量的困境和難題。一方面，端電壓、電流和溫度等基本電池外部參數(shù)相當容易測量。下一層評估，例如評估充電狀態(tài)，需要更多的時間和精力，但事后肯定是可行的。

但是看看電池內(nèi)部發(fā)生了什么，尤其是在它被積極充電或放電時——現(xiàn)在這是一個真正的挑戰(zhàn)。在這方面，正在評估的電池是一個真正的“黑匣子”?？茖W(xué)家、研究人員和工程師可以推測正在發(fā)生或發(fā)生的事情——但這就像對尸體進行尸檢一樣——由于被測單元現(xiàn)在已經(jīng)“死亡”，因此獲得的洞察力通常是靜態(tài)的。

這并沒有提供數(shù)據(jù)和洞察力的數(shù)量和類型來支持電池供應(yīng)商、大學(xué)和其他設(shè)施為更好的電池所做的努力。這些研究人員希望在使用電池時實時查看電池內(nèi)部發(fā)生的情況，研究界將這種模式指定為操作觀察，意思是“在運行中”。(這不應(yīng)與體外，意思是在活的有機體之外或體內(nèi)，意思是在活的動物或人體內(nèi)。)

在這一領(lǐng)域取得了一些令人印象深刻的進展，但進展緩慢，盡管研究人員如何描述測試安排并不簡單。這些是我最近讀到的眾多努力之一：

“電池中單粒子離子動力學(xué)的 Operando 光學(xué)跟蹤”。本文詳細介紹了劍橋大學(xué)(英國)所做的工作，該大學(xué)的一個團隊開發(fā)了一種稱為干涉散射顯微鏡的光學(xué)顯微鏡技術(shù)來觀察電池過程。他們能夠通過測量散射光的量來觀察鈷酸鋰(通常稱為 LCO)單個顆粒的充電和放電，還可以看到 LCO 在充放電循環(huán)中經(jīng)歷了一系列相變。LCO 顆粒內(nèi)的相界隨著鋰離子的進出而移動和變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，移動邊界的機制取決于電池是充電還是放電。

· “使用操作 X 射線斷層掃描將固態(tài)電池中的空隙和相間演化與電化學(xué)聯(lián)系起來”以及補充信息;再一次，主要論文在付費墻后面，但也可以在此處獲得。由喬治亞理工學(xué)院 (Georgia Tech) 的一個小組領(lǐng)導(dǎo)的多機構(gòu)團隊(包括阿貢國家實驗室)開發(fā)了一種在電池充電和放電時查看電池內(nèi)部的技術(shù)。

這種 X 射線顯微斷層掃描成像類似于醫(yī)療 CAT 掃描。他們的同步加速器 X 射線“計算機顯微斷層掃描”成像揭示了鋰/固體電解質(zhì)界面處電極材料的動態(tài)變化如何決定固態(tài)電池的行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，電池操作導(dǎo)致界面處形成空隙，造成接觸損失，這是導(dǎo)致電池故障的主要原因

?“通過受激拉曼顯微鏡對陰離子耗盡和鋰生長進行操作和三維可視化?！? 哥倫比亞大學(xué)(紐約)的一個團隊正在使用拉曼散射顯微鏡，這是一種先進的光譜電光技術(shù)，廣泛用于生物醫(yī)學(xué)測試、化學(xué)過程研究和材料科學(xué)。在這種受激散射中。同步泵浦激光束和掃頻斯托克斯激光束組合，組合與樣品相互作用，使其產(chǎn)生相干光學(xué)響應(yīng)。

通過測量撞擊光束掃過時的振動共振，可以揭示目標分子的詳細“指紋”。結(jié)果揭示了導(dǎo)致離子濃度不均勻增長的多階段正反饋機制。那些具有較高濃度的區(qū)域經(jīng)歷了較高的生長速率，這反過來又導(dǎo)致不希望的枝晶晶體的濃度進一步增加并加速生長速率。

· “熱失控期間鋰離子電池的操作內(nèi)高速斷層掃描”，描述了倫敦大學(xué)學(xué)院(英國)的一個團隊如何開發(fā)一個復(fù)雜的裝置來對鋰電池進行內(nèi)部計算機軸向斷層掃描(CAT)掃描即時的。目的是詳細了解這些電池眾所周知的不幸方面，幸運的是僅在某些特殊情況下或由于制造缺陷而發(fā)生：它們傾向于過熱和爆炸/著火，通常稱為熱失控。

這些技術(shù)中的每一種都為我們提供了更好地理解電池電化學(xué)過程所需的更多洞察力。但它們的設(shè)置和評估都很復(fù)雜，而且肯定不具備我們便攜式或臺式電子儀器的便利性。相反，它們是電子、光學(xué)和深度物理系統(tǒng)和布置的復(fù)雜組合。

電池化學(xué)不會輕易放棄其秘密，但這并不能阻止我們嘗試。會不會有單一或系列的突破?或者將通過不懈、緩慢、穩(wěn)定的進步取得進步。我們從歷史中了解到，科學(xué)、工程和制造的進步是由于兩者的結(jié)合。真正的問題是兩種模式在開發(fā)創(chuàng)新和使其成熟和應(yīng)用方面的相對權(quán)重。俗話說，“只有時間會證明一切?！?