锂离子可充电电池是一项非凡的技术，在从燃烧化石燃料转向可再生能源方面，它们越来越重要。但如果这种转变要足够快来拯救地球，电池就需要更好，它们也需要可持续的来源和制造。

电池是可持续社会的推动者

克里斯·斯顿夫，沃特斯公司的

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年间，全球正在使用的电动汽车数量将增长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•斯顿普夫(Chris Stumpf)说:“电池是可持续社会的推动者。”别忘了，锂离子电池也为我们的移动设备和电脑提供动力。

锂离子电池在我们的社会中是如此具有变革性，如此重要，以至于这项技术的先驱科学家约翰·B·古迪纳夫(John B Goodenough)、M·斯坦利·惠廷汉姆(M Stanley Whittingham)和吉野明(Akira Yoshino)在2019年共同获得了诺贝尔化学奖。但是，在从辉煌的科学壮举转变为无处不在的供电技术的过程中，有必要揭开这些电池的盖子，使下一代比他们的上一代更环保、更高效。只有用最精密的鉴定仪器才能看到电池内部。技术范围从质谱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——带负电荷的阳极和带正电荷的阴极。然后是电解液，关键的离子通过电解液流动。当离子流动时，电子通过一个外部电路，提供电力。在锂离子充电电池中，也有一个隔膜，允许离子通过，但使电极彼此远离。

钴是一种有问题的元素。它的化学成分很好，但起源却不那么好

改善电池性能和可持续性的一个地方是阴极。在诺贝尔奖得主约翰·古迪纳夫开创的锂离子电池版本中，电极是由锂钴氧化物制成的。大多数商用电池使用某种形式的含钴阴极。但钴是一种有问题的元素。它的化学成分很好，但起源却不那么好。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，储量主要存在于刚果民主共和国(DRC)。这里的采矿问题非常严重，有侵犯人权的指控，包括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，以在工作性能和钴含量方面击败传统的钴氧化物锂阴极材料。详细的特性描述对于理解这些新的和创新的材料的性能是至关重要的。

研究工作远远超出了调整电流阴极的组成，还包括新型高性能材料的配方。在Waters Xevo G2-XS QTof质谱仪的帮助下，中国郑州大学的傅永柱和他的同事在今年早些时候展示了一种很有前途的新型化合物，有机硫化物，可能成为可充电电池的成功正极材料^3.．

虽然有机硫化物是一种诱人的替代阴极，但它们有一些严重的局限性，包括电导率和在电解质中的溶解性等。傅的团队用锡或铜苯-1,2-二硫代酸配合物克服了这个问题。他们发现，将这些化合物与金属结合，赋予了有机硫化物另一个维度——由于金属中心的存在，它们的可溶性降低，并能够将能量聚集在其中。只有通过详细的描述，才能正确地理解这一体系。当它与色谱系统相结合时，QTof质谱仪的功率可以进一步增强，这使得收集关于电解质的独特见解成为可能。

沃特斯拥有一套技术，可以在工作系统中通过充放电循环跟踪电解质和其中使用的任何添加剂。这是一种强大的组合，最近测试了含有碳酸二甲酯、碳酸乙基-碳酸甲酯、碳酸氟乙基、六氟磷酸锂和专有添加剂的碳酸二甲酯电解质溶液⁴．当它们充放电时，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深入的了解

克里斯Stumpf

一次分析这些截然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高分辨率分解最复杂的样品。在一系列的200个充放电循环中，该试剂盒可以通过确定某些降解产物的形成来看到电解质是如何降解的。结合强大的分析软件和电解液的深入化学工作，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样的新系统，有望制造出更高效、更易于理解的电池。斯顿普夫说:“我们可以提供电解质的利基见解。”

至于阳极，从锂离子电池中获得最大的能量，理论上锂金属是最理想的材料。但是锂是如此的活跃，以至于在大多数商业可充电电池中，使用固体锂的实用性被忽视了，取而代之的是石墨。锂金属可以形成树突——生长在电池电解液中的锂的小手指——这可能会导致失控反应和火灾。但通过在锂金属表面的钝化层使其平静下来，这些阳极看起来更有前途。但钝化层也带来了一个特征问题。

阳极表面的扫描电子显微镜是了解发生了什么最好的方法，但原位制备锂基样品是一个巨大的挑战。然而，去年年底，由加拿大蒙特利尔麦吉尔大学卡里姆·扎格里卜(Karim Zaghlib)领导的一个团队，包括2019年诺贝尔奖得主约翰·古迪纳夫(John Goodenough)，在德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)取得了重要进展⁵．利用装有牛津仪器(OI) EDS和EBSD探测器的扫描电子显微镜，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。这种合金形成了一个钝化层，通过使用OI的原位探测器，该团队设法在钝化层形成时跟踪合金。OI的Ultim Extreme探测器可以探测到低能x射线，它在2019年被授予女王企业奖⁶．

当温度升高时，他们可以看到钝化层保持不变，即使它保护的合金熔化了。这种对材料性能的关键洞察将有助于制造更安全的锂金属阳极，避免失控反应和短路。

原子力显微镜是另一个强大的工具。OI公司的Cypher电化学电池AFM被德国的一个团队用来研究聚合物凝胶电解质的不同配方，看看钝化层形成时发生了什么。他们可以追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的Christan Lang解释说，整个AFM可以放置在一个手套箱中，在使用电池的情况下，可以进行大量有趣的成像。

了解电池在其使用寿命中可能发生的变化，将是找出重新使用它的最佳方法的关键

特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，以了解电池组件在其工作寿命期间是如何变化的，是电池研究的一个不断发展的领域。OI的台式核磁共振光谱仪和分析仪的范围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扮演着重要的角色。回收厂是又大又脏的地方。用最先进的质谱仪来测试旧电池毫无意义。斯顿普夫说:“回收需要尽快结束。”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的未来努力都是至关重要的。了解电池在其使用寿命中可能发生的变化，将是找出重新使用它的最佳方法的关键。

为了实现地球所需要的可持续发展的社会，电池无疑将是一种驱动力。但在幕后，那些经常被遗忘的分析仪器却在默默工作，它们用更可持续的材料制造，并尽其所能地回收或再利用，提供了让电池更好地工作所需的关键数据。