在可充电电池中，电解质在放电期间将锂离子从负极传输到正极。离子流的路径在充电期间反转。商用锂离子电池中的有机液体电解质是易燃的并且易于泄漏，使得它们的大规模应用可能成为问题。相反，固体电解质克服了这些挑战，但它们的离子电导率通常较低。
现在，由能源部橡树岭实验室领导的一个团队使用最先进的显微镜技术，在固体电解质中识别出大约50亿分之一米(纳米)宽的先前未被发现的特征。该工作实验验证了该特征对快速离子传输的重要性，并用理论证实了这些观察结果。研究人员在Advanced Energy Materials中报告的新机制指出了一种设计高导电固体电解质的新策略。
“固体电解质是实现安全，高功率，高能量，固态电池的最重要因素之一，”ORNL的第一作者Cheng Ma表示，他进行了大部分研究实验。“但目前低电导率限制了它的应用。”
ORNL的资深作者Miaofang Chi说：“我们的工作是基础科学，专注于如何促进固体中的离子传输。快速离子导体的设计非常重要，不仅适用于电池，也适用于其他能源设备。 “ 这些包括超级电容器和燃料电池。
为了直接观察固体电解质中的原子排列，研究人员使用像差校正扫描透射电子显微镜通过样品发送电子。为了使用基本上提供二维(2D)投影的方法观察三维(3D)材料中的极小特征，他们需要非常薄的样本。为了做好准备，他们依靠ORNL的DOE科学用户设施纳米材料科学中心的综合材料加工和表征能力。
“通常透射电子显微镜样品的厚度为20纳米，但Ma开发了一种使样品超薄(约5纳米)的方法，”Chi说。“这是关键，因为这样的厚度可以与我们最终解决的隐藏特征的大小相媲美。”
研究人员检查了一种称为LLTO的原型系统，简称其锂，镧，钛和氧构建块。LLTO在氧化物体系中具有最高的体积电导率。
在这种材料中，锂离子在平面2D通路中移动最快，这是由富含镧或锂的原子层的交替叠层产生的。ORNL领导的团队是第一个看到这一点，在不损害这种优质2D传输，微小区域或大约5到10纳米宽的精细特征的情况下，整个3D材料提供了锂离子可以移动的更多方向。这些域看起来像是与其他架子成直角堆叠的架子。架子越小，离子越容易沿施加电流的方向流动。
ORNL的Yongqiang Cheng和Bobby Sumpter进行了分子动力学模拟，证实了实验结果。
此前，科学家研究了晶体中最简单的重复单元的原子结构 – 称为晶胞 – 并重新排列其原子或引入不同的元素，以了解它们如何促进离子传输。单元电池通常小于1纳米宽。在ORNL科学家为本文研究的材料中，晶胞几乎是半纳米。该团队意外的发现 – 只有几纳米的精细特征并穿过几个单位细胞，可以最大化离子传输途径的数量 – 提供了新的视角。
“这一发现增加了新的标准，”Chi说。“这种很大程度上被忽视的长度尺度可能是快速离子传导的关键。”
在设计快速离子传导材料时，研究人员需要考虑几纳米量级的现象。
马同意了。“原型材料具有高离子电导率，因为它不仅保持了单位晶胞结构，而且还增加了这一优良特性，支持3D通路，”Ma说。“我们并不是说我们不应该关注单位细胞规模。我们说除了单位细胞规模之外，我们还应该考虑几个单位细胞的规模。有时候，它会超过一个单元格的重要性。“
几十年来，当研究人员对某些物质行为没有解释时，他们推测超越一个单位细胞的现象可能起作用。但他们从未见过证据。“这是我们第一次通过实验证明这一点，”马说。“这是一个直接的观察，所以它是最坚实的证据。”
