首次观察到纳米尺度的锂离子在电池电极的运动情况上图所示是电解质分子在纳米尺寸电

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上图所示是电解质分子在纳米尺寸电池电极内部排列成层的示例。锂离子（紫色球）在电池充电和放电过程中必须通过这些层进出电极。图片来源：美国斯坦福国家加速器实验室（SLAC）

为笔记本电脑、电动汽车和其他许多现代装置提供动力的锂离子电池都是按照一个简单的物理原理运行的：锂离子在两个电极之间来回穿梭，当电池充电时，将自身插入到其中一个电极中，然后随着电池的排泄而移动到另一个电极上。他们在电池电解液中运行的速度和便利程度决定了电池充电的速度。

如今科学家们已在在几纳米尺寸中的电极中第一次近距离观察到了这种现象，电子的正常自由活动会在锂离子的运动路径上排列成层。

他们这是首次直接观察到的这种分层的结构，研究人员是利用美国能源部SLAC国家加速器实验室的X射线实现的。结果表明，改变锂离子在电解液中的浓度可能会改变分子层的排列，使离子更容易进入和流出电极。

“这个过程的离子进入电极是非常重要的，这关系到你能多快让电池充电还有电池可以持续多长时间，”Michael Toney说，他是在SLAC斯坦福同步辐射光源的杰出工作的科学家（SSRL）和该研究的合作者。“了解纳米级的工作原理可以提高充电速度和效率。”

该研究论文已被发表在《能源与环境科学（Energy & Environmental Science）》杂志上。

探索新型商业电解质

在锂离子电池中，电解液由溶剂中的锂和其他离子组成，溶剂分子在任何液体中都会移动。但是基于理论和以前的计算机模拟，科学家们强烈怀疑在电极旁边的电解质的微小体积上发生了一些不同的东西。在这里，他们认为，电极的坚硬表面的存在会促使溶剂分子排列整齐，形成有序的层。然而，通过实验证实这一点是困难的。

这些新的实验中，Toney的团队使用一种金属氧化物电极材料为代表，浸泡在常见的商品化锂离子电池的那种电解质中。

通过一个实验室中的高亮度的X射线束入射到电极表面，通过电解质分析X射线反射，如反射镜，研究人员能够确定个别溶剂分子和锂离子在几十亿分之一米的电极表面的位置和结构情况，Hans-Georg Steinrück说，他是Toney研究小组的一员和并且还是这一实验的主要操作者。分子动力学模拟结果与实验结果吻合较好。

“我们可以看到与埃分辨率的电极附近的离子和溶剂分子的位置，也看到他们在电极表面的状态情况，”Steinrück说。“它们被排列在边界上的定义良好的层中，第一层与电极的表面平行，然后变得更紊乱，更典型的是液体，当你从表面移动时。”这些有序的层使锂离子更难以快速穿过进入电极。

分子的转移

然而，由于锂离子在电解质浓度增加，排列层的改变；它变得更有序，而层越远，Steinrück说。这使研究人员得出了一个与所期望的几乎相反的结论。

他说：“我们的假设是，如果你想改善锂离子的运动情况，你需要减少层的数量，这意味着降低锂离子浓度而不是增加它。”。

Steinrück说，团队将通过进一步的研究探索这一途径，用这种方法得到的基础知识也可以应用到其他类型的下一代电池和能量存储系统的研究中。