未来出行交通工具主要包括电动汽车、卡车和飞机等 但单一电池设计显然无法满足复杂的需求。未来几十年 可能需要根据具体用途来定制电池 因此要尽可能准确地了解各类电池的内部状态。

每种电池的工作原理都相同 即由离子（也就是带电荷的原子或分子）通过电解液将电流从负极传送到正极 然后再返回来。通过准确了解不同的离子如何在不同类型电解液中移动 研究人员可以找到改变这种传送方式的方法 从而创造出以最适合特定用途的方式进行充放电的电池。

据外媒报道 在一项突破性发现中 科学家们结合多种技术 来精确测量在电池中移动的离子。研究人员利用阿贡国家实验室的先进光子源（APS） 不仅可以在电池运行时观察其内部状态 并实时测量反应进程 同时也为使用不同类型电池进行类似实验打开了大门。

研究人员与联合储能研究中心（JCESR）合作得出这一结果 详细描述锂离子通过聚合物电解质的速度。主要研究人员、德国帕德伯恩大学（Paderborn University）教授Hans-Georg Steinrück表示：“通过结合不同的实验方法来测量速度和浓度 并将其与理论数据进行比较 我们已证明其可能性 现在我们将在其他性质不同的系统上进行测量。”

这些测量是在APS的8-ID-I光束线上进行的 包括使用超亮X射线测量离子通过电池的速度 并在模型电池放电时 测量电解液中的离子浓度。研究小组随后将所得到的结果与数学模型进行比较 并得到一个极为精准的数字 即离子导电率（代表离子携带的电流）。

从本质上来说 离子导电率（transport number）是带正电的离子携带的电流相对于总电流的量。研究小组通过计算得出的这个数字大约为0.2。研究人员表示 这种测量离子运动的新方法十分敏感 因此所得出的结论与其他方法不同。科罗拉多大学博尔德分校（University Of Colorado Boulder）的Michael Toney教授表示：“传统方法是通过分析电流来测量离子导电率。然而 目前还不清楚这些电流中有多少是通过锂离子产生 有多少是由你在分析中不想要的其他因素造成的。原理很简单 但我们必须进行准确测量。这是真正的概念验证项目。”

在这项实验中 研究小组使用的是固体聚合物电解质 而不是锂离子电池中广泛使用的液体电解质。这是因为聚合物不易燃 更加安全。研究人员之一Venkat Srinivasan表示 以往研究电池内部工作原理时 最好的方法是向电池发送电流 然后进行分析。现在 科学家们可以通过实时跟踪离子运动 找到改变运动状态的机会 以满足电池设计需求。他说：“以前我们必须把这些点连接起来 现在我们可以直接、清晰地探测离子。”

阿贡X射线科学部门的物理学家Eric Dufresne表示 在这项实验中 研究团队利用APS提供的关联性 可以获得速度仅为每秒纳米的结果。“这是一项非常彻底和复杂的研究 以新颖的方式结合X射线技术 既是这方面的一个很好的例证 也是向开发未来应用迈出的一步。”

Dufresne及其同事指出 只有APS对其电子存储环进行升级时 才能更好地进行实验 使其产生的X射线的亮度增加500倍。Dufresne表示：“通过APS升级 我们可以推进动态研究进程 使其达到比微秒更好的水平。我们将聚焦光束 对更厚的材料进行更细微的测量。升级将赋予我们独特的能力 使我们能进行更多类似实验。”

研究团队表示 下一步将分析更复杂的聚合物和其他材料 并最终转向研究液体电解质。Toney希望探讨其他类型材料的离子 比如钙和锌。对于实现针对具体用途设计电池的最终目标来说 测试各种材料具有重要意义。Srinivasan表示：“如果我们想要制造高能、快速、安全和持久的电池 就需要更多地了解离子运动 以及电池内部的情况 并利用这些知识设计新材料。”责任编辑：YYX