电池仍然是用于存储可再生能源，为现代电动汽车提供动力，并支持消费者对便携式个人电子产品和可穿戴设备的需求的领先技术。尽管在过去十年中，技术取得了令人难以置信的进步，但世界各地的研究人员不断面临着创新下一代高性能电池的挑战，这些电池更具成本效益，续航时间更长，充电速度更快，更安全，也更环保。

领先的是锂离子充电电池，它最早是在20世纪下半叶开发出来的，被广泛采用，以至于它的开发者在2019年被授予了诺贝尔化学奖。随着研究人员努力生产更好的材料，以改善可充电电池的每个组件，下一步是将它们放入工作单元中进行评估。传统上，一个电池被制造出来，然后测量它的循环性能、放电率和能量密度等，作为一个成品单元。这种方法的缺点是，它不允许识别负责电池性能变化的特定组件，并且会显著减缓创新。

在[电池]内部，量热计可以测量非常非常少量的热量，即使是最小的反应

然而，随着越来越复杂的表征技术，研究人员可以更彻底地分析整个工作电池及其单个组件，从而使他们能够在预期的工作条件下更精确地监测电池性能。更彻底地分析电池及其单个组件的能力使化学家能够有意地选择在电池内部使用的最佳配方，有助于在开发阶段的早期优化其性能。

电化学反应可以产生热量，而这些正在进行的反应的热力学是电池研究人员的关键工具。作为Waters的子公司，TA仪器公司有一系列的微热量计可以做到这一点。TA仪器公司的微热测量产品经理Neil Demarse说，该家族的最新成员TAM IV microXL等温微热计提供了研究人员所需的灵敏度水平。可以将整个电池单元放入仪器中进行测试。德马西说:“这是为数不多的可以测试整个电池的仪器之一，它只需要安装在设备内部。”“一旦进入电池内部，量热计就能测量出非常非常小的热量，即使是最小的反应，也能测量出电池发出的电量。”

Demarse解释说，收集到的数据使研究人员能够在研发阶段验证电池的质量和性能，所有这些都是优化新电池配方和测试组件兼容性的关键。Demarse表示，明尼苏达州圣保罗3M公司的研究人员已经使用TAM的微热量计组合来跟踪锂离子电池袋内的寄生反应。通过测试这些电池系统中的热流，并改变电解液中使用的添加剂，该团队能够筛选出有助于稳定电池并使其更高效的最佳添加剂。Demarse说，在这个过程的早期优化电池最终会有更多的好处，从长远来看，电池会更安全。

能够在电池的实际实时电化学循环中使用AFM是一项了不起的成就

在最近网络研讨会在《化学世必威体育 红利账户界》上，来自cylikal的Larry Krause和Vincent Chevrier提供了如何使用电化学和热信号的精确组合来量化寄生反应，识别相变，熵事件，甚至系统级事件，如镀锂。这样的见解可以实现更准确的寿命预测，对电池材料的新理解和更好的电池设计。

最近，英国牛津仪器公司(OI)正在进行另一项研究，将电池作为一个整体进行研究。他们开发了一种Cypher原子力显微镜(AFM)，可以与手套箱中的密封电化学电池一起工作。这种AFM使得美国IBM阿尔马登研究中心的Kumar Virwani及其同事能够监测最有前途的下一代电池技术之一锂氧电池内部的电化学反应。能够在电池的实际实时电化学循环中使用AFM是一项了不起的成就。由于AFM电化学电池完全密封在手套箱内，电池中的氧气没有逸出。经过10个小时的循环，AFM能够显示锂离子开始溶解并四处移动。然后，一层界面层生长起来，覆盖在电极上，直到充电周期进行到一半时，它开始分解。这种原位成像是关键的证据，证明电池很可能在多次充电/放电循环中存活下来。AFM是实现这种实时监测的唯一方法，并将成为电池开发工具箱中的另一个重要工具。

质谱分析也可以帮助完善整个电池系统。随着电池的使用，它们会老化。随着年龄的增长，就像人类开始变皱一样，它们开始退化、破裂和表现不佳。沃特斯的超灵敏飞行时间质谱仪与色谱功能相结合，使研究人员能够观察电池寿命每个阶段的老化过程。2019年发表的一项使用Waters ACQUITY UPLC/ APGC Xevo G2-XS QToF仪器的研究强调了该系统如何用于帮助表征含有有前途的电极材料-富镍层状氧化物和石墨SiO的囊状电池的变化_x-超过其使用寿命。¹

在什么情况下，一项可持续的技术会变得不可持续?

由此产生的分析在电池寿命的四个不同阶段进行，探究了电解液中发生了什么。在使用锂离子电池时，阳极周围会形成一层，从而消耗掉部分电解质。这一层，SEI，或固体电解质界面层，可以稳定系统，但也可以使其性能暴跌。更好地了解SEI和阳极年龄将最终使更持久的电池得以开发。

质谱在跟踪不同的电解质添加剂如何影响电池性能方面也发挥着作用。例如，在2018年的一项研究中，²Waters Xevo G2-XS QTof追踪了不同添加剂对电解质有机成分的变化，再次提供了每种成分形成何种SEI的见解。在开发过程中，这种深入的特性将允许在电池开发的早期阶段进行优化。

随着电池的生产越来越多，资源将不可避免地变得稀缺。考虑到这一点，我们问自己——在什么情况下，一项可持续的技术会变得不可持续?除非每块电池都能回收利用，否则用可再生能源取代化石燃料的影响可能会开始显现出阴暗面。因此，回收利用将是未来电池驱动的可持续社会的关键一步。

当你开始研发续航时间更长的电池时，材料的续航时间也必须更长

Neil Demarse, TA仪器公司微量热量测量产品经理

为了帮助回收，特征化是关键。2018年，中国一个团队在帮助回收珍贵矿产方面所做的工作就是一个例子。^3.由昆明理工大学侯洪英领导的研究小组希望找到一种方法来回收用于下一代电池原型和开发的锂箔——固态锂-空气电池和锂-硫电池。不可避免地，随着新技术的发展，有很多浪费。一旦这些电池完全商业化，找出回收这些原型的最佳方法将有助于更大规模的回收工作。侯的团队从他们的实验硬币电池中取出箔，并迅速将它们溶解在去离子水中。进一步处理，然后真空干燥和在炉中煅烧，留下由LiFePO组成的黑色粉末₄/ C。使用一系列技术，包括OI的基于SEM的微观分析设备，分析了这种粉末，并对其进行了无数纳米和微观结构的研究。然后，研究小组将这种粉末用作另一种电化学电池的阴极，结果很有希望。

在高科技表征和其他现代分析工具的辅助下，这种循环经济方法无疑将成为电池开发过程的一部分，以维持供应。

电动汽车的代表人物特斯拉去年宣布，他们计划为他们的下一套电动汽车推出100万英里的电池。细节仍是秘密，但毫无疑问，一些有趣的材料科学将涉及其中。德马泽说:“当你开始研发续航时间更长的电池时，材料的续航时间就必须更长。”在复杂的表征仪器的帮助下，这些材料将释放单次充电的能力，储存更多的能量，并引导我们建立一个更可持续的社会。