一項基於中子的映射技術已被用來實時追蹤鋰離子在運作中的全固態電池內部的運動。法國拉烏-朗傑維研究所 (Institut Laue-Langevin, ILL) 的研究人員發現了意想不到的結構複雜性，這可能為設計更安全、更高效的固態電池提供指導。研究人員使用了操作中中子粉末衍射技術來深入觀察電池界面。有趣的是，實驗揭示了電極內部的混亂結構，顯示鋰的流動並不像先前想像中那般順暢。
傳統的可充電電池使用液態電解質，但這樣的設計存在安全風險，並限制了性能。全固態電池旨在用固體材料取代液態電解質，以實現更安全的運行、更高的能量密度及在極端温度下的更好性能。然而，製造可靠的全固態電池仍然面臨挑戰，因為鋰離子在固體結構中的運動往往不均勻，導致不同區域以不匹配的速度充電。為瞭解決這一謎題，研究人員首次利用中子衍射技術深入觀察一個厚實的運行中全固態電池，並實時追蹤鋰的運動，以瞭解和優化其運作。
全固態電池的結構複雜性為設計提供新思路
實驗室中的典型 X 射線會被重電子散射，無法探測到鋰等輕元素，但中子能直接與原子核相互作用，使其能夠準確探測鋰。此外，中子擁有極為優越的穿透力，能夠無損地探測整個厚電池顆粒的內部，而不僅僅是表面。這使得操作中中子粉末衍射成為追蹤電池在實際充電和放電過程中結構變化的一個寶貴工具。
為了獲取清晰的信號，ILL 團隊必須建造一個厚度約為 2.5 毫米的電池單元，這需要 140 毫克的活性陰極材料。更厚的元件通常意味著巨大的內部電阻，這會影響電流。新合成的高導電性固體電解質（混合鹵化物阿基羅黴）幫助克服了這一問題，其離子導電性是傳統材料的六倍。即使在不尋常的厚度下，電池的電解質仍然能夠成功提取超過一半的鋰。
他們所觀察到的情況改變了我們對固態力學的理解。即使在極慢的充電過程中，鋰的流動也並不平穩。電極分裂成兩個競爭的結構相，稱為 H1 和 H2。電池的不同區域實際上處於不同的時間區，因為電流的問題導致它們以完全不同的速度充電。但當温度提高時，這一情況發生了變化。當團隊在 100°C 重複實驗時，混亂的兩相行為完全消失。熱量提升了材料的離子導電性，平滑了電流，迫使鋰以完美、均勻的步伐運行。
同時，固體電解質框架保持穩定，沒有顯示出降解的跡象。
在整個測試過程中，固體電解質保持了結構穩定，這對硫化物基全固態電池的長期可行性是一個令人鼓舞的跡象。這一發現為電池設計者提供了一個精確的性能調整方法，並為電動車設計的未來鋪平了道路，即電極內部的交通擁堵可以通過有針對性的熱管理和優化導電性來解決。該研究發表在《先進能源材料》期刊上。