锂离子充电电池是一项非凡的技术，对于从燃烧化石燃料向可再生能源的转变越来越重要。但是，如果这种转变足够快，以拯救地球，电池就需要更好，而且它们也需要以可持续的方式采购和制造。

电池是可持续发展社会的推动者

Chris Stumpf，沃特斯公司

对高能量密度电池的需求是不可阻挡的。根据最近的一篇文章自然据估计，在2020年至2050年期间，全球使用的电动汽车数量将激增72倍，达到近10亿辆¹．所有这些车辆都需要电池。沃特斯公司(Waters Corporation)材料科学业务部门高级经理克里斯•斯通普夫(Chris Stumpf)说:“电池是可持续社会的推动者。”不要忘了，锂离子电池也为我们的移动设备和电脑提供动力。

锂离子电池是如此具有变革性，在我们的社会中如此重要，以至于开创这项技术的科学家约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·惠廷汉姆和吉野彰在2019年被共同授予诺贝尔化学奖。但是，从一项辉煌的科学壮举，到一项无处不在的电力供应技术，有必要揭开这些电池的盖子，让下一代比它们的前辈更环保、更高效。只有使用最复杂的表征仪器才能窥视电池内部。技术范围从质谱分析到热分析和电子显微镜。

在最基本的层面上，电池由两个电极组成——带负电的阳极和带正电的阴极。然后是电解液，关键离子通过电解液流动。当离子流动时，电子通过外部电路，提供能量。在锂离子可充电电池中，也有一个隔膜，允许离子通过，但使电极彼此远离。

钴是个有问题的元素。它的化学性质很好，但它的来源就不那么好了

提高电池性能和可持续性的一个切入点是阴极。在由诺贝尔奖得主约翰·古迪纳夫首创的锂离子电池版本中，电极由钴酸锂制成。大多数商业电池使用某种形式的含钴阴极。但钴是一个有问题的元素。它的化学性质很好，但它的来源就不那么好了。根据美国地质调查局的数据²在美国，钴是一种相对稀缺的元素，其储量主要存在于刚果民主共和国(DRC)。这里的采矿问题极其严重，有侵犯人权的指控，包括使用童工和危险的工作条件。

出于这些原因，研究人员正在努力制造替代阴极材料，使其在工作效果和钴含量方面优于传统的锂钴氧化物阴极。详细的特性对于了解这些新型和创新材料的性能至关重要。

研究工作远远超出了调整当前阴极的成分，还包括新型高性能材料的配方。在沃特斯Xevo G2-XS QTof质谱仪的帮助下，中国郑州大学的傅永柱(Yongzhu Fu)及其同事在今年早些时候展示了一种有前途的新型化合物，有机硫化物，可以成功地用作可充电电池的正极材料^3.．

虽然有机硫化物是一种诱人的阴极替代品，但它们有一些严重的局限性，例如导电性差和在电解质中的溶解度差。傅教授的团队用锡-或铜-苯-1,2-二硫代络合物克服了这一问题。他们发现，用金属制造这些复合物赋予了有机硫化物另一个维度——由于金属中心的存在，使它们不易溶解，并能够将能量装入其中。只有通过详细的描述才能正确理解这个系统。Stumpf说，当QTof质谱仪与色谱系统连接时，它的功率可以进一步增强，这可以收集对电解质的独特见解。

沃特斯有一套技术，可以跟踪电解质和其中使用的任何添加剂，使它们在工作系统中经历充放电循环。这是一种强大的组合，最近测试了一种碳酸二甲酯电解质溶液，其中含有碳酸二乙酯、碳酸乙酯、碳酸氟乙酯、六氟磷酸锂和专有添加剂⁴．当它们被充电和放电时，这些电解质具有挥发性和非挥发性成分。

我们可以对电解液有更深入的了解

克里斯Stumpf

在一个镜头中分析这些明显不同的阶段并不容易。一种温和的常压气相色谱仪(APGC)将电解质中的离子输送到Xevo G2-XS QTof质谱仪中，该质谱仪已被开发用于以高分辨率分离最复杂的样品。在一系列的200次充放电循环中，该试剂盒可以通过精确定位某些降解产物的形成来观察电解质是如何降解的。再加上强大的分析软件和电解液的深入化学，因为它的工作可以在一个单一的仪器设置。了解电解质的工作原理和测试这类新系统的潜力，有望制造出更高效、更容易理解的电池。斯通普夫说:“我们可以对电解液进行细分。”

至于阳极，要从锂离子电池中获得最大的能量，理论上金属锂将是理想的材料。但是锂的反应性太强，在大多数商业充电电池中，使用固体锂的实用性被石墨所忽视。金属锂可以形成枝晶——长到电池电解液中的微小的锂手指——这可能导致失控的反应和火灾。但通过在锂金属上加一层钝化层使其平静下来，这些阳极看起来更有前途。但钝化层也带来了表征问题。

阳极表面的扫描电子显微镜是了解发生了什么事情的最佳方式，但原位制备锂基样品是一个巨大的挑战。然而，去年年底，加拿大蒙特利尔麦吉尔大学卡里姆·扎格里卜领导的一个团队，包括2019年诺贝尔奖得主、德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·古迪纳夫，向前迈出了重要一步⁵．利用配备了牛津仪器(OI) EDS和EBSD探测器的扫描电镜，该团队能够在下一代电池技术——固态电池——的高温下分析锂/镁合金。这种合金形成了一层钝化层，通过使用OI的原位探测器，研究小组设法跟踪合金形成的钝化层。OI公司的Ultim Extreme探测器可以探测低能x射线，于2019年被授予女王企业奖⁶．

随着温度的升高，他们可以看到钝化层保持不变，即使它保护的合金熔化。这种对材料行为的关键洞察将有助于制造更安全的锂金属基阳极，以避免失控反应和短路。

原子力显微镜是另一个强有力的工具。德国的一个团队使用OI的Cypher电化学电池AFM来观察不同配方的聚合物-凝胶电解质，看看钝化层形成时发生了什么。他们可以跟踪每一种不同配方中这一层的机械稳定性、厚度和形态，看看哪种在工作电池中效果最好。OI公司的Christan Lang解释说，整个AFM可以装在一个手套箱里，当电池使用时，可以进行一系列有趣的成像。

了解电池在其使用寿命中可能发生的变化将是找出重复使用电池的最佳方法的关键

表征并不局限于质谱和显微镜。核磁共振波谱可以帮助发现电解质中的杂质或跟踪反应产物，以了解电池组件在工作寿命期间的变化，这是电池研究中一个不断发展的领域。OI的台式核磁共振光谱仪和分析仪系列已经在研究小组中使用。

表征技术可以为研发、制造和回收提供分析视角。后一点在电池开发中有很大的作用。回收工厂又大又脏。用最先进的质谱仪来测试旧电池毫无意义。斯通普夫说:“回收工作需要尽快完成。”所有用于帮助设计更好的电池组件的分析技术对于确保电池有效回收至关重要。了解电池在其使用寿命中可能发生的变化将是找出重复使用电池的最佳方法的关键。

为了实现我们的星球所需要的可持续社会，电池无疑将成为一种驱动力。但是，在幕后安静、英勇地工作的是那些经常被遗忘的分析仪器，它们提供了让这些电池更好地工作所需的关键数据，它们由更可持续的材料制成，并尽其所能回收或重复使用。