美國威斯康辛大學麥迪遜分校(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出一款新型的 X射線成像技術，用於研究鋰離子充電電池在含氟化鐵時的電化學反應；這種含氟化鐵的鋰離子電池據稱能夠儲存較現有電池更高三倍的容量。
「氟化鐵具有讓傳統鋰離子電池儲存量提高三倍的潛力，」威斯康辛大學麥迪遜分校化學系教授Song Jin解釋，「然而，我們還未能發掘其真正的潛力。」
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，採用先進的穿透式X射線顯微技術進行實驗。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期間的化學地圖，以確定電池性能。研究結果刊登在《自然通訊》(Nature Communications)期刊中。
化學相圖顯示氟化鐵微絲從0%放電(左)、50%(中)到95%(右)的電化學放電過程。
「過去，我們無法真的了解氟化鐵在電池反應期間發生什麼情況，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確度，顯示與測量氟化鐵在充電與放電時的化學變化。
在可充電的鋰離子電池中加入氟化鐵，為科學家們帶來了兩項挑戰。首先是無法以其現有的形式完全充電。
「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，以後就會更少了，」Li說，「消費者寧可選擇一個可持續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變，能夠精確定位到每一個化學反應，使研究人員們得以瞭解為什麼會發生容量衰減的情形。
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確的方法來掌握其電化學反應，並確定氟化鐵在具有多孔微結構時具有更佳性能。」
第二個挑戰是氟化鐵電池材料放電時並不像充電那樣完全，導致能源利用效率降低。目前的研究已經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。
這項研究的結果帶來了一些影響，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用範圍。
「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揮最佳性能與效率，就能夠為電動車與微電網推動大規模的可再生能源儲存技術進展，」Jin說。
Jin認為，新式X射線成像技術還將促進其它重要的固態變化的技術研究，並有助於改善無機陶瓷與薄膜太陽能電池的製造過程。
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。
編譯：Susan Hong
(參考原文：Iron Fluoride to Triple Energy Storage?，by Paul Buckley)
資料來源:電子工程專輯
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