扫描工作电池内部情况的探索

电池存在测试和测量的困境和难题。一方面，端电压、电流和温度等基本电池外部参数相当容易测量。下一层评估，例如评估充电状态，需要更多的时间和精力，但事后肯定是可行的。

但是看看电池内部发生了什么，尤其是在它被积极充电或放电时——现在这是一个真正的挑战。在这方面，正在评估的电池是一个真正的“黑匣子”。科学家、研究人员和工程师可以推测正在发生或发生的事情——但这就像对尸体进行尸检一样——由于被测单元现在已经“死亡”，因此获得的洞察力通常是静态的。

这并没有提供数据和洞察力的数量和类型来支持电池供应商、大学和其他设施为更好的电池所做的努力。这些研究人员希望在使用电池时实时查看电池内部发生的情况，研究界将这种模式指定为操作观察，意思是“在运行中”。(这不应与体外，意思是在活的有机体之外或体内，意思是在活的动物或人体内。)

在这一领域取得了一些令人印象深刻的进展，但进展缓慢，尽管研究人员如何描述测试安排并不简单。这些是我最近读到的众多努力之一：

“电池中单粒子离子动力学的 Operando 光学跟踪”。本文详细介绍了剑桥大学(英国)所做的工作，该大学的一个团队开发了一种称为干涉散射显微镜的光学显微镜技术来观察电池过程。他们能够通过测量散射光的量来观察钴酸锂(通常称为 LCO)单个颗粒的充电和放电，还可以看到 LCO 在充放电循环中经历了一系列相变。LCO 颗粒内的相界随着锂离子的进出而移动和变化。研究人员发现，移动边界的机制取决于电池是充电还是放电。

· “使用操作 X 射线断层扫描将固态电池中的空隙和相间演化与电化学联系起来”以及补充信息;再一次，主要论文在付费墙后面，但也可以在此处获得。由乔治亚理工学院 (Georgia Tech) 的一个小组领导的多机构团队(包括阿贡国家实验室)开发了一种在电池充电和放电时查看电池内部的技术。

这种 X 射线显微断层扫描成像类似于医疗 CAT 扫描。他们的同步加速器 X 射线“计算机显微断层扫描”成像揭示了锂/固体电解质界面处电极材料的动态变化如何决定固态电池的行为。研究人员发现，电池操作导致界面处形成空隙，造成接触损失，这是导致电池故障的主要原因

•“通过受激拉曼显微镜对阴离子耗尽和锂生长进行操作和三维可视化。” 哥伦比亚大学(纽约)的一个团队正在使用拉曼散射显微镜，这是一种先进的光谱电光技术，广泛用于生物医学测试、化学过程研究和材料科学。在这种受激散射中。同步泵浦激光束和扫频斯托克斯激光束组合，组合与样品相互作用，使其产生相干光学响应。

通过测量撞击光束扫过时的振动共振，可以揭示目标分子的详细“指纹”。结果揭示了导致离子浓度不均匀增长的多阶段正反馈机制。那些具有较高浓度的区域经历了较高的生长速率，这反过来又导致不希望的枝晶晶体的浓度进一步增加并加速生长速率。

· “热失控期间锂离子电池的操作内高速断层扫描”，描述了伦敦大学学院(英国)的一个团队如何开发一个复杂的装置来对锂电池进行内部计算机轴向断层扫描(CAT)扫描即时的。目的是详细了解这些电池众所周知的不幸方面，幸运的是仅在某些特殊情况下或由于制造缺陷而发生：它们倾向于过热和爆炸/着火，通常称为热失控。

这些技术中的每一种都为我们提供了更好地理解电池电化学过程所需的更多洞察力。但它们的设置和评估都很复杂，而且肯定不具备我们便携式或台式电子仪器的便利性。相反，它们是电子、光学和深度物理系统和布置的复杂组合。

电池化学不会轻易放弃其秘密，但这并不能阻止我们尝试。会不会有单一或系列的突破?或者将通过不懈、缓慢、稳定的进步取得进步。我们从历史中了解到，科学、工程和制造的进步是由于两者的结合。真正的问题是两种模式在开发创新和使其成熟和应用方面的相对权重。俗话说，“只有时间会证明一切。”