用 X 射线制造更好的电池

用 X 射线制造更好的电池

在三个月的时间里,美国平均每辆汽车会产生一公吨二氧化碳。乘以地球上所有的汽油动力汽车,那会是什么样子?一个无法解决的问题。

但新的研究表明,如果我们承诺到2050 年实现净零碳排放,并用电动汽车取代耗油量大的汽车,以及许多其他清洁能源解决方案,就有希望。

为了帮助我们的国家实现这一目标,William Chueh和David Shapiro等科学家正在共同努力制定新策略,以设计由地球资源丰富的可持续材料制成的更安全、长距离的电池。

Chueh 是斯坦福大学材料科学与工程系的副教授,旨在自下而上重新设计现代电池。他依靠美国能源部科学用户设施的最先进工具,例如伯克利实验室的先进光源 (ALS)和 SLAC 的斯坦福同步加速器辐射光源——产生明亮 X 射线光束的同步加速器设施——揭开面纱电池材料的分子动力学在起作用。

近十年来,Chueh 与 ALS 的高级科学家和领先的同步加速器专家 Shapiro 合作——他们的工作共同产生了令人惊叹的新技术,首次揭示了电池材料如何实时工作,以肉眼看不见的前所未有的规模。

他们在本次问答中讨论了他们的开创性工作。

问:是什么让您对电池/储能研究感兴趣?

Chueh:我的工作几乎完全由可持续性驱动。我在 2000 年代初还是一名研究生时就参与了能源材料研究——当时我正在研究燃料电池技术。当我在 2012 年加入斯坦福大学时,对我来说很明显,可扩展且高效的能源存储至关重要。

今天,我很高兴地看到,从化石燃料开始的能源转型正在成为现实,并且正在以令人难以置信的规模实施。

我有三个目标:首先,我正在进行基础研究,为实现能源转型奠定基础,特别是在材料开发方面。其次,我正在培养世界一流的科学家和工程师,他们将走出现实世界来解决这些问题。第三,我正在学习基础科学,并通过创业和技术转让将其转化为实际应用。

最后一点,我很高兴在不到一年前的大流行期间创立了电池材料公司Mitra Chem 。Mitra Chem 正在努力将其中一些想法商业化。

因此,希望这能让您全面了解驱动我的动力以及我认为改变现状所需的条件:知识、人员和技术。

夏皮罗:我的背景是光学和相干 X 射线散射,所以当我 2012 年第一次开始在 ALS 工作时,我并没有真正注意到电池。我的任务是开发用于高空间分辨率 X 射线显微镜的新技术,但这很快导致了应用,并试图弄清楚伯克利实验室及其他地方的研究人员正在做什么以及他们的需求是什么。

当时,在 2013 年左右,ALS 开展了大量工作,利用各种技术利用软 X 射线的化学敏感性来研究电池材料的相变,尤其是磷酸铁锂 (LiFePO 4 )。

Will 的工作以及Wanli Yang 、Jordi Cabana(伯克利实验室能源技术领域(ETA)的前任科学家,现为伊利诺伊大学芝加哥分校的副教授)和其他人的工作给我留下了深刻的印象。 ETA 研究人员Robert Kostecki和Marca Doeff下班。

当时我对电池一无所知,但这一研究领域的科学和社会影响很快就对我而言显而易见。伯克利实验室的研究协同作用也让我印象深刻,我想弄清楚如何为此做出贡献。所以我开始接触人们,看看我们可以一起做些什么。

事实证明,我们非常需要提高电池材料测量的空间分辨率,并在循环过程中观察它们——Will 和我已经为此工作了近十年。

问:请问,作为一名电池科学家,您认为制造更好电池的最大挑战是什么?

Chueh:电池有大约 10 个指标,你必须同时共同优化。制造一个在 10 个中可能有 5 个性能良好的电池很容易,但是要制造一个在每个指标上都很好的电池是非常具有挑战性的。

例如,假设您想要一个能量密集的电池,这样您每次充电可以驾驶电动汽车 500 英里。您可能需要一个充电 10 分钟的电池。您可能想要一个可以使用 20 年的电池。您还需要一个永不爆炸的电池。但很难同时满足所有这些指标。

我们正在尝试做的是了解如何创建一种安全、持久且可在 10 分钟内充电的单电池技术。

这些是我们在伯克利实验室高级光源的实验试图做的基本见解:揭示那些无法解释的权衡,以便我们能够超越今天的设计规则,这将使我们能够识别新材料和新机制,以便我们能够摆脱这些限制。

问:ALS 提供了哪些独特功能,有助于突破电池或储能研究的界限?

Chueh:为了了解发生了什么,我们需要看到它。我们需要进行观察。我小组的一个关键理念是接受电池材料的动态和异质性。电池材料不像岩石。它不是静态的。您每天都在为您的手机充电和放电,每周为您的电动汽车充电。你不会通过不开车来理解汽车是如何工作的。

第二部分是异质电池材料具有极长的跨度。电池单元通常有几厘米高,但为了了解电池内部发生了什么——我为此提供了漂亮的图像——你想一直看到纳米级和原子级。这大约是长度的 10 个数量级。

Advanced Light Source 使像我这样的科学家能够以前所未有的方式接受电池的异质性和动态性:我们可以测量非常缓慢的过程。我们可以测量非常快速的过程。我们可以测量数百微米(百万分之一米)的尺度。我们可以测量纳米尺度(十亿分之一米)的东西。伯克利实验室的一个惊人工具。

夏皮罗:扫描透射 X 射线显微镜 (STXM) 是一种非常流行的基于同步加速器的方法。世界上大多数同步加速器至少有一台 STXM 仪器,而 ALS 有三台——第四台正在通过ALS 升级 (ALS-U) 项目。

我认为有几件事使我们的计划与众不同。首先,我们拥有一系列专业化的工具。其中一个针对轻元素光谱进行了优化,因此可以精确表征像氧这样的元素,它是电池化学中的关键成分。

另一种仪器专门以非常高的空间分辨率绘制化学成分图。我们拥有世界上空间分辨率最高的 X 射线显微镜。这对于放大电池的单个纳米颗粒和界面内发生的化学反应非常有用。

我们的第三台仪器专门用于电池化学的“操作”测量,您需要它才能真正了解电池循环过程中发生的物理和化学演变。

我们还努力开发与伯克利实验室其他设施的协同效应。例如,我们的高分辨率显微镜使用与伯克利实验室纳米科学用户设施Molecular Foundry的电子显微镜相同的样品环境,因此用 X 射线和电子探测相同的活动电池环境变得可行。Will 使用这种相关方法来研究电池材料中化学状态和结构应变之间的关系。在我们可以访问的长度尺度上,这是前所未有的,它提供了新的见解。

问:ALS 升级项目将如何推进下一代储能技术?升级后的 ALS 将为伯克利实验室独有的电池/储能研究人员提供什么?

夏皮罗:就显微镜而言,升级后的 ALS 将是独一无二的,原因有几个。首先,它将成为世界上最亮的软 X 射线源,在样本上提供的 X 射线数量是我们今天的 100 倍。扫描显微镜技术将受益于如此高的亮度。

这既是巨大的机遇,也是巨大的挑战。我们可以使用这种亮度来测量我们今天获得的数据——但是将这个速度提高 100 倍是具有挑战性的部分。

通过扩展到更大的长度尺度和更小的时间尺度,这些新功能将使我们能够更准确地了解电池结构和功能。或者,我们也可以以与今天相同的速度测量数据,但空间分辨率提高了大约三倍,将我们从大约 10 纳米缩小到几纳米。对于材料科学来说,这是一个非常重要的长度尺度,但今天它只是无法通过 X 射线显微镜获得。

使升级后的 ALS 与众不同的另一件事是它接近 Molecular Foundry 的专业知识。其他科学领域,例如能源技术领域;以及位于伯克利实验室的当前和未来能源研究中心。这种协同作用将继续推动储能研究。

Chueh:在电池研究中,我们现在面临的挑战之一是我们有很多有趣的问题要解决,但只做一次测量就需要数小时和数天。ALS-U 项目将提高实验的吞吐量,并使我们能够以更高分辨率和更小规模探测材料。总而言之,这增加了新科学的发展。多年前,我为 ALS-U 的案例做出了贡献,所以我为能成为其中的一员感到无比自豪——我很高兴看到升级后的 ALS 上线,这样我们就可以利用其令人兴奋的新功能做我们今天做不到的科学。

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