世界上最小的電池

　　在這裡，跟著小編來一探究竟吧!

　　科學家制造世界最小電池，說明可充電電池最終如何失靈，就可以製成壽命更長的電池。

　　新的高清影象中，電極導線的製備採用的材料，常用於可充電的鋰離子電池，影象顯示，它們變形是因為被充電。這種薄薄的奈米尺寸的導線扭曲變胖，是因為鋰離子流過，這是在充電過程中發生的，研究論文發表在本週的《科學》雜誌。這項工作說明可充電電池最終如何失靈，有了新的洞察，就可以製成更好的電池。

　　這一奈米尺度電池顯示，陽性鋰離子如何淹沒負電極***藍色***，改變材料大小、形狀和性質 ***綠色部分電極***。一些充電材料可能比其他材料更能適應這種重複變形。

　　電池開發人員知道，充電和使用鋰電池是一遍又一遍地做，這樣就損害電極材料，這些照片都是奈米級的，可以真實地看到這是如何發生的。細導線是錫氧化物的，用作負電極，它會膨脹三分之一，拉長一倍，原因就是鋰離子流過。此外，鋰離子改變了錫氧化物，使它從整齊排列的晶體變成玻璃非晶材料。

　　“錫氧化物奈米導線承受電流相關變形，勝過散裝錫氧化物，”王重民***Chongmin Wang***說，他是材料科學家，在美國能源部太平洋西北國家實驗室工作。“這讓我想起用鋼絲擰一根鋼繩，你會把細細的鋼絲擰在一起，而不是做一根粗鋼絲。”

　　他們製作的錄影顯示，奈米線看起來像一根稻草，而鋰離子看起來像一種飲料，被吸入稻草。重複變形會破壞電極材料，因為這樣引起的微小缺陷會隨時間積累。

　　追逐電子

　　以前的工作是在美國能源部環境分子科學實驗室進行的，就在西北太平洋國家實驗室***PNNL***院內，當時，王重民和這裡的化學家徐吳***Wu Xu***以及和其他同事成功拍攝到更大的奈米線快照，大約1微米，或者說百分之一的頭髮絲寬度，而且是部分充電的。但實驗裝置沒有顯示充電的實際過程。

　　為了考察電極充電的動力學，王重民和徐吳找到了黃江雨***Jianyu Huang***，黃江雨是美國能源部整合奈米技術中心的，就在新墨西哥州山迪亞國家實驗室***Sandia National Laboratories***，也找了其他人。研究小組使用的特殊裝備的透射電子顯微鏡***transmission electron microscope***技術，製成一個微型電池。這個儀器允許他們可以拍攝更小的導線，直徑大約200奈米***大約是以前導線寬度的五分之一***，而且是在充電時拍攝。

　　可充電鋰離子電池管用，是因為鋰離子吸引電子。帶正電的鋰離子通常停留在正電極上，在那裡，金屬氧化物與鋰共享電子。給電池充電，就是把自由電子泵抽到負電極，負電極位於電解質溶液的另一端，鋰離子可游過去，電子卻不能。鋰吸引電解液陰極端的電子，更甚於它已經與金屬氧化物共享的電子，就是在陽極共享的電子。所以鋰離子由正極流到負極，匹配那裡的自由電子。

　　但電子見異思遷。裝置中使用電池，會使電子滑出負電極，留下後面的鋰離子。所以，因為沒有自由電子的陪伴，鋰離子就又回到正電極和金屬氧化物的懷抱。

　　王重民的微型電池包含的正電極是鋰鈷氧化物***lithium cobalt oxide***，負電極的製備採用了細細的錫氧化物奈米線。在兩個電極之間，電解質引導鋰離子通過，但會擋住電子。電解液是專門設計的，可承受顯微鏡下的條件。

　　研究小組給微型電池充電，在恆定電壓時，鋰離子活躍，穿過錫氧化物導線，淹沒在陰極的電子中。導線就膨脹拉長，總體積增加 250%，而且扭曲得像一條蛇。

　　此外，顯微鏡顯示，導線剛開始是水晶形的。但鋰離子把錫氧化物轉變成一種材料，就像玻璃，原子排列更隨機，不像在水晶中。研究者總結出一個數量，就是有多少變形發生在充電和使用中，就會很快磨損電池材料。儘管如此，錫氧化物看起來是好得多的奈米線，勝過更大的散裝形式。

　　“我們認為，這項工作能刺激新的思維，研究普通的能量儲存，”王重民說。“這僅僅是個開始，我們希望以後的工作會讓我們知道如何設計更好的電池。”

　　未來的工作包括拍攝這種微型電池在反覆充放電時會發生什麼。當電池使用時，鋰離子必須流過錫氧化物導線，穿過電解質，回到正電極。鋰被激發並退回去時，會留下多少結構性的損壞，這會將幫助研究者瞭解，為什麼充電電池在充電很多次後會失效。