固态锂离子电池由阳极、阴极和分隔两者的固体电解质组成。锂离子电池的快速循环(反复充电和放电)通过显著增加电池的内部阻抗(随时间变化的电阻)来限制电池的性能，这阻碍了电流的流动。NIST的研究人员与桑迪亚国家实验室合作，结合了两种互补的技术——接触电位差测量和中子深度剖面测量——来精确确定电池的哪些部分对其阻抗贡献最大。信用:S. Kelley/ NIST目前正在开发的最新一代锂离子电池有望在为手机、电动汽车、笔记本电脑和无数其他设备提供动力方面带来一场革命。与传统的锂离子电池相比，这种新型电池采用了所有固态、不可燃的组件，重量更轻，充电时间更长，充电速度更快，使用更安全，因为传统的锂离子电池含有一种可以着火的凝胶。然而，像所有电池一样，固态锂离子电池也有一个缺点:由于电化学相互作用，阻抗——DC电阻的交流模拟——会在电池中积累，限制电流的流动。国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员和他们的同事现在已经确定了大部分这种积聚发生的位置。在这样做的时候，该团队提出了一个简单的重新设计，可以极大地限制阻抗的积累，使电池能够发挥其作为下一代电源的作用。
锂离子电池由两个片状端子组成，阳极(负极端子)和阴极(正极端子)，由一种叫做电解质的离子传导介质隔开。(在普通锂离子电池的情况下，电解质是凝胶，在固态版本中是固体。)在放电过程中，锂离子从阳极通过电解质流向阴极，迫使电子在外部电路中移动，并产生为设备供电的电流。
阻抗通常出现在两个电极中的任何一个和电解质之间的界面处。但是找到准确的位置需要知道锂离子的分布和每个界面上的电压差。
其他团队之前的研究无法确定问题区域的位置，因为他们使用的工具对整个电池的阻抗进行了平均，而不是在设备内的单个位置进行测量。NIST团队包括加州利弗莫尔桑迪亚国家实验室、华盛顿特区海军研究实验室和几所大学的合作者，他们使用了两种互补的方法来研究固态锂离子电池的纳米级阻抗。
一种方法，开尔文探针力显微镜，使用原子力显微镜的尖端悬停在一个开放电池的不同层上，来成像每个表面上的电压分布。探针显示，电池内最大的电压降出现在电解质/阳极界面，表明这是一个高阻抗区域。(如果整个电池的阻抗很低，电池内部的电压降会在不同的地方逐渐平稳地变化。)
第二种方法是中子深度剖面法，利用NIST中子研究中心产生的低能中子束来探测锂的纳米级分布和浓度。因为中子深度剖面不会损害电池，研究人员能够在电池运行时使用这项技术。
当来自电子束的低能中子被电池中的锂吸收时，它们产生高能带电粒子，α(4He)和氚(3H)。产生的这些带电粒子的数量以及它们通过电池层后保留的能量表明了锂离子在电池不同位置的浓度。
测量结果显示，锂离子堆积的主要位置(减少了电流的流动)发生在电解质和阳极之间的边界——开尔文探针力显微镜检测到最大电压降的同一位置。
NIST大学和马里兰大学帕克分校纳米中心的研究小组成员埃夫格尼·斯特勒科夫说，开尔文探针力显微镜和中子深度剖面技术的结果清楚地表明，大部分阻抗来自电解质/阳极界面。
斯特列科夫和其他研究人员，包括NIST的杰米·韦弗、约瑟夫·杜拉、安德烈·科尔马科夫和尼古拉·日特内夫及其合作者，于10月19日在《美国化学学会能源快报》杂志上在线报道了他们的发现。
韦弗说:“这项工作表明，中子深度剖面，结合开尔文探针力显微镜和理论建模，继续推进我们对锂离子电池内部工作的理解。
在分析他们的发现时，科学家们得出结论，如果在阳极和电解质之间添加其他材料层，他们在界面上发现的阻抗可以显著降低。添加适当相互粘附的中间层将防止电解质和阳极直接相互作用。这是一个好处，因为当电解质和阳极直接接触时，它们有时会形成一层阻碍离子传输的薄层材料。
斯特列科夫说:“我们希望设计界面，使其具有高离子和电子电导率。
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