電池存在測試和測量的困境和難題。一方面，端電壓、電流和溫度等基本電池外部參數(shù)相當容易測量。下一層評估，例如評估充電狀態(tài)，需要更多的時間和精力，但事后肯定是可行的。

但是看看電池內部發(fā)生了什么，尤其是在它被積極充電或放電時——現(xiàn)在這是一個真正的挑戰(zhàn)。在這方面，正在評估的電池是一個真正的“黑匣子”?？茖W家、研究人員和工程師可以推測正在發(fā)生或發(fā)生的事情——但這就像對尸體進行尸檢一樣——由于被測單元現(xiàn)在已經“死亡”，因此獲得的洞察力通常是靜態(tài)的。

這并沒有提供數(shù)據(jù)和洞察力的數(shù)量和類型來支持電池供應商、大學和其他設施為更好的電池所做的努力。這些研究人員希望在使用電池時實時查看電池內部發(fā)生的情況，研究界將這種模式指定為操作觀察，意思是“在運行中”。(這不應與體外，意思是在活的有機體之外或體內，意思是在活的動物或人體內。)

在這一領域取得了一些令人印象深刻的進展，但進展緩慢，盡管研究人員如何描述測試安排并不簡單。這些是我最近讀到的眾多努力之一：

“電池中單粒子離子動力學的 Operando 光學跟蹤”。本文詳細介紹了劍橋大學(英國)所做的工作，該大學的一個團隊開發(fā)了一種稱為干涉散射顯微鏡的光學顯微鏡技術來觀察電池過程。他們能夠通過測量散射光的量來觀察鈷酸鋰(通常稱為 LCO)單個顆粒的充電和放電，還可以看到 LCO 在充放電循環(huán)中經歷了一系列相變。LCO 顆粒內的相界隨著鋰離子的進出而移動和變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，移動邊界的機制取決于電池是充電還是放電。

· “使用操作 X 射線斷層掃描將固態(tài)電池中的空隙和相間演化與電化學聯(lián)系起來”以及補充信息;再一次，主要論文在付費墻后面，但也可以在此處獲得。由喬治亞理工學院 (Georgia Tech) 的一個小組領導的多機構團隊(包括阿貢國家實驗室)開發(fā)了一種在電池充電和放電時查看電池內部的技術。

這種 X 射線顯微斷層掃描成像類似于醫(yī)療 CAT 掃描。他們的同步加速器 X 射線“計算機顯微斷層掃描”成像揭示了鋰/固體電解質界面處電極材料的動態(tài)變化如何決定固態(tài)電池的行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，電池操作導致界面處形成空隙，造成接觸損失，這是導致電池故障的主要原因

?“通過受激拉曼顯微鏡對陰離子耗盡和鋰生長進行操作和三維可視化。” 哥倫比亞大學(紐約)的一個團隊正在使用拉曼散射顯微鏡，這是一種先進的光譜電光技術，廣泛用于生物醫(yī)學測試、化學過程研究和材料科學。在這種受激散射中。同步泵浦激光束和掃頻斯托克斯激光束組合，組合與樣品相互作用，使其產生相干光學響應。

通過測量撞擊光束掃過時的振動共振，可以揭示目標分子的詳細“指紋”。結果揭示了導致離子濃度不均勻增長的多階段正反饋機制。那些具有較高濃度的區(qū)域經歷了較高的生長速率，這反過來又導致不希望的枝晶晶體的濃度進一步增加并加速生長速率。

· “熱失控期間鋰離子電池的操作內高速斷層掃描”，描述了倫敦大學學院(英國)的一個團隊如何開發(fā)一個復雜的裝置來對鋰電池進行內部計算機軸向斷層掃描(CAT)掃描即時的。目的是詳細了解這些電池眾所周知的不幸方面，幸運的是僅在某些特殊情況下或由于制造缺陷而發(fā)生：它們傾向于過熱和爆炸/著火，通常稱為熱失控。

這些技術中的每一種都為我們提供了更好地理解電池電化學過程所需的更多洞察力。但它們的設置和評估都很復雜，而且肯定不具備我們便攜式或臺式電子儀器的便利性。相反，它們是電子、光學和深度物理系統(tǒng)和布置的復雜組合。

電池化學不會輕易放棄其秘密，但這并不能阻止我們嘗試。會不會有單一或系列的突破?或者將通過不懈、緩慢、穩(wěn)定的進步取得進步。我們從歷史中了解到，科學、工程和制造的進步是由于兩者的結合。真正的問題是兩種模式在開發(fā)創(chuàng)新和使其成熟和應用方面的相對權重。俗話說，“只有時間會證明一切?！?