研究人员已经开发出一种方法，可以在电池电极沐浴在湿电解质中时显微观察电池电极，模拟实际电池内部的真实条件。虽然生命科学研究人员经常使用透射电子显微镜来研究潮湿环境，但这次科学家们已成功将其应用于可充电电池研究。

12月11日发行的Nano Letters报告的结果对于研究干燥条件下电池材料的科学家来说是个好消息。这项工作表明，在干燥条件下可以研究许多方面，这些方面更容易使用。然而，需要潮湿的条件来研究难以找到的固体电解质中间相层，这是一种积聚在电极表面并显着影响电池性能的涂层。

“液体电池为我们提供了有关电极如何在电池环境中运行的全球信息，”能源部太平洋西北国家实验室的材料科学家Chongmin Wang说。“它将帮助我们找到固体电解质层。很难直接看到足够的细节。”

衰退，流动，膨胀

即使电看似不可见，在电池中存储和使用电也会产生一些非常有效的影响。对电池充电会使电子堵塞到负电极中，其中带正电的锂离子(或钠等其他金属离子)涌入以接触并保持电子。这些离子必须适合电极内的孔隙。

用电池为设备供电会使电子流出电极。留下的正离子在电池体内涌动并返回到正极，在那里它们等待另一次充电。

Wang及其同事使用高倍显微镜观察带正电荷的离子如何使电极变形和变形。挤入电极的孔隙会使电极膨胀，重复使用会使电极磨损。例如，最近通过能源储存研究联合中心(一个为加速电池开发而建立的DOE能源创新中心)资助的最新工作表明钠离子会留下气泡，可能会干扰电池功能。

但到目前为止，透射电子显微镜只能容纳干电池，研究人员将其称为开放式电池。在真正的电池中，电极浸泡在液体电解质中，提供离子可以容易地穿过的环境。

因此，在JCESR的同事们的帮助下，Wang在能源部在PNNL校园的环境分子科学实验室EMSL的透射电子显微镜领域开发了湿电池。该团队制造了一个如此小的电池，几个可以装在一角钱。电池具有一个硅电极和一个锂金属电极，两者都包含在电解质浴中。

神秘层

当团队给电池充电时，他们看到硅电极膨胀，正如预期的那样。然而，在干燥条件下，电极的一端连接到锂源 - 当离子进入时，膨胀始于一端，形成前缘。在这项研究的液体电池中，锂可以沿着电极的长度进入硅。该团队观察到电极同时在其长度上膨胀。

“电极变得更胖更均匀。这就是电池内部的情况，”王说。

然而，研究人员是否设置了干电池或湿电池，电极膨胀的总量大致相同。这表明研究人员可以使用这两种条件来研究电池材料的某些方面。

“过去五年来，我们一直在用干燥的开放式电池研究电池材料，”王说。“我们很高兴发现开放式电池提供有关电极如何化学行为的准确信息。这样做更容易，因此我们将继续使用它们。”

至于难以捉摸的固体电解质中间层，王说他们在这个初步实验中看不到它。在未来的实验中，他们将尝试将湿层的厚度减少至少一半以增加分辨率，这可以提供足够的细节来观察固体电解质中间相层。

“该层被认为具有独特的性质，并影响电池的充电和放电性能，”王说。“但是，研究人员对其形成方式，结构或化学性质没有简明扼要的认识或了解。此外，反复充电和放电的变化情况仍不清楚。这是非常神秘的事情。我们希望液体细胞有所帮助我们揭开这个神秘层。“