世界上最小的电池

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科学家制造世界最小电池，说明可充电电池最终如何失灵，就可以制成寿命更长的电池。

新的高清图像中，电极导线的制备采用的材料，常用于可充电的锂离子电池，图像显示，它们变形是因为被充电。这种薄薄的纳米尺寸的导线扭曲变胖，是因为锂离子流过，这是在充电过程中发生的，研究论文发表在本周的《科学》杂志。这项工作说明可充电电池最终如何失灵，有了新的洞察，就可以制成更好的电池。

这一纳米尺度电池显示，阳性锂离子如何淹没负电极(蓝色)，改变材料大小、形状和性质 (绿色部分电极)。一些充电材料可能比其他材料更能适应这种重复变形。

电池开发人员知道，充电和使用锂电池是一遍又一遍地做，这样就损害电极材料，这些照片都是纳米级的，可以真实地看到这是如何发生的。细导线是锡氧化物的，用作负电极，它会膨胀三分之一，拉长一倍，原因就是锂离子流过。此外，锂离子改变了锡氧化物，使它从整齐排列的晶体变成玻璃非晶材料。

“锡氧化物纳米导线承受电流相关变形，胜过散装锡氧化物，”王重民(Chongmin Wang)说，他是材料科学家，在美国能源部太平洋西北国家实验室工作。“这让我想起用钢丝拧一根钢绳，你会把细细的钢丝拧在一起，而不是做一根粗钢丝。”

他们制作的录像显示，纳米线看起来像一根稻草，而锂离子看起来像一种饮料，被吸入稻草。重复变形会破坏电极材料，因为这样引起的微小缺陷会随时间积累。

追逐电子

以前的工作是在美国能源部环境分子科学实验室进行的，就在西北太平洋国家实验室(PNNL)院内，当时，王重民和这里的化学家徐吴(Wu Xu)以及和其他同事成功拍摄到更大的纳米线快照，大约1微米，或者说百分之一的头发丝宽度，而且是部分充电的。但实验装置没有显示充电的实际过程。

为了考察电极充电的动力学，王重民和徐吴找到了黄江雨(Jianyu Huang)，黄江雨是美国能源部集成纳米技术中心的，就在新墨西哥州山迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)，也找了其他人。研究小组使用的特殊装备的透射电子显微镜(transmission electron microscope)技术，制成一个微型电池。这个仪器允许他们可以拍摄更小的导线，直径大约200纳米(大约是以前导线宽度的五分之一)，而且是在充电时拍摄。

可充电锂离子电池管用，是因为锂离子吸引电子。带正电的锂离子通常停留在正电极上，在那里，金属氧化物与锂共享电子。给电池充电，就是把自由电子泵抽到负电极，负电极位于电解质溶液的另一端，锂离子可游过去，电子却不能。锂吸引电解液阴极端的电子，更甚于它已经与金属氧化物共享的电子，就是在阳极共享的电子。所以锂离子由正极流到负极，匹配那里的自由电子。

但电子见异思迁。设备中使用电池，会使电子滑出负电极，留下后面的锂离子。所以，因为没有自由电子的陪伴，锂离子就又回到正电极和金属氧化物的怀抱。

王重民的微型电池包含的正电极是锂钴氧化物(lithium cobalt oxide)，负电极的制备采用了细细的锡氧化物纳米线。在两个电极之间，电解质引导锂离子通过，但会挡住电子。电解液是专门设计的，可承受显微镜下的条件。

研究小组给微型电池充电，在恒定电压时，锂离子活跃，穿过锡氧化物导线，淹没在阴极的电子中。导线就膨胀拉长，总体积增加 250%，而且扭曲得像一条蛇。

此外，显微镜显示，导线刚开始是水晶形的。但锂离子把锡氧化物转变成一种材料，就像玻璃，原子排列更随机，不像在水晶中。研究者总结出一个数量，就是有多少变形发生在充电和使用中，就会很快磨损电池材料。尽管如此，锡氧化物看起来是好得多的纳米线，胜过更大的散装形式。

“我们认为，这项工作能刺激新的思维，研究普通的能量储存，”王重民说。“这仅仅是个开始，我们希望以后的工作会让我们知道如何设计更好的电池。”

未来的工作包括拍摄这种微型电池在反复充放电时会发生什么。当电池使用时，锂离子必须流过锡氧化物导线，穿过电解质，回到正电极。锂被激发并退回去时，会留下多少结构性的损坏，这会将帮助研究者了解，为什么充电电池在充电很多次后会失效。