美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校(University of Wisconsin–Madison)與布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory；BNL)的研究人員們攜手開發(fā)出一款新型的 X射線成像技術(shù)，用于研究鋰離子充電電池在含氟化鐵時的電化學(xué)反應(yīng)；這種含氟化鐵的鋰離子電池據(jù)稱能夠儲存較現(xiàn)有電池更高三倍的容量。
       “氟化鐵具有讓傳統(tǒng)鋰離子電池儲存量提高三倍的潛力，”威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校化學(xué)系教授Song Jin解釋，“然而，我們還未能發(fā)掘其真正的潛力。”
       Song Jin與該校研究生Linsen Li及其他研究人員們在布魯克海文國家實驗室全國同步加速器光源(NSLS)中，采用先進(jìn)的穿透式X射線顯微技術(shù)進(jìn)行實驗。研究人員們從填滿氟化鐵的實際鈕扣電池中收集電池循環(huán)期間的化學(xué)地圖，以確定電池性能。研究結(jié)果刊登在《自然通訊》(Nature Communications)期刊中。

           化學(xué)相圖顯示氟化鐵微絲從0%放電(左)、50%(中)到95%(右)的電化學(xué)放電過程。
       “過去，我們無法真的了解氟化鐵在電池反應(yīng)期間發(fā)生什么情況，因為其他電池元件妨礙了精確影像的取得，”Li說。
       藉由考慮可能混淆影像的背景訊號，研究人員們就能夠以奈米級的準(zhǔn)確度，顯示與測量氟化鐵在充電與放電時的化學(xué)變化。
       在可充電的鋰離子電池中加入氟化鐵，為科學(xué)家們帶來了兩項挑戰(zhàn)。首先是無法以其現(xiàn)有的形式完全充電。
       “這就像你的智慧型手機如果第一次僅能充電一半左右的電量，以后就會更少了，”Li說，“消費者寧可選擇一個可持續(xù)100%充電的電池。”
       透過這種新型的X射線成像方法，以奈米級精確度檢視氟化鐵在電池中的轉(zhuǎn)變，能夠精確定位到每一個化學(xué)反應(yīng)，使研究人員們得以瞭解為什么會發(fā)生容量衰減的情形。
       Li說，“以奈米級分析X射線資料，讓我們能夠利用較以往更準(zhǔn)確的方法來掌握其電化學(xué)反應(yīng)，并確定氟化鐵在具有多孔微結(jié)構(gòu)時具有更佳性能?！?br/>       第二個挑戰(zhàn)是氟化鐵電池材料放電時并不像充電那樣完全，導(dǎo)致能源利用效率降低。目前的研究已經(jīng)針對這個問題提出一些初步的看法了，Jin和Li計劃在未來的實驗中解決這項挑戰(zhàn)。
       這項研究的結(jié)果帶來了一些影響，例如更長效的電池延長了可攜式電子裝置的使用時間。不過，Jin還看好未來更廣泛的其他應(yīng)用范圍。
       “如果我們能讓這些低成本和豐富的氟化物鐵鋰離子電池材料發(fā)揮最佳性能與效率，就能夠為電動車與微電網(wǎng)推動大規(guī)模的可再生能源儲存技術(shù)進(jìn)展，”Jin說。
       Jin認(rèn)為，新式X射線成像技術(shù)還將促進(jìn)其它重要的固態(tài)變化的技術(shù)研究，并有助于改善無機陶瓷與薄膜太陽能電池的制造過程。
       該實驗的其他研究人員還包括Yu-chen Karen Chen-Wiegart、Feng Wang、Jun Wang以及在Beamline X8C、NSLS與BNL的合作夥伴們。