研究光束线上的电池循环

在TUoS攻读博士学位期间，ISIS设施开发学生Innes McClelland开发了一种电池，用于使用μ介子光谱测试电池材料，并用它来研究日益重要的阴极材料。

了解电池材料在充电和放电时内部发生的情况对于提高现有电池的性能和开发用于未来电池的新材料至关重要。

一种对未来电池越来越重要的正极材料是LiNi。0.8锰0.1公司0.1O2，称为NMC811。这种材料具有很高的容量，但在第一次充电和放电之间经常遭受不可逆的容量损失。人们认为，这种容量损失可能是由于材料中锂离子扩散的动力学障碍。了解这个问题可能会带来见解，为新的和改进的替代方案的设计提供信息。

μ介子光谱是研究这些材料的绝佳工具，因为它可以在局部尺度上探测锂和钠等离子的扩散，在很大程度上避免了界面或晶界效应。以前对电池材料的μ介子实验已经单独研究了电池外部的组件。虽然这些对于理解基本特性很有用，但它们缺乏对材料在操作过程中行为的洞察力。

作为ISIS设施开发学生奖学金的一部分，Innes McClelland博士设计了一个能够做到这一点的细胞。与他的共同主管光束线科学家Peter Baker和ISIS的工程师，他的主管谢菲尔德大学的Serena Cussen教授以及法拉第研究所下一代阴极项目FutureCat的同事合作，他能够设计出一种用于操作μ介子光谱测量的电池。

正如他们最近发表在《材料化学》上的论文中所解释的那样，该小组能够使用该细胞来研究NMC811，以研究可能导致其缺乏重复循环性的原因。使用新装置，他们可以在第一个周期内测量材料内超过70点的锂扩散特性。他们发现，正如预期的那样，锂扩散在较高的电荷状态下更快，但它从未恢复到与原始样品相同的值。

有趣的是，通过将μ介子光谱的不同测量特性与电化学方法相结合，他们能够看到这种缓慢扩散在阴极表面比在块状材料中更为普遍。这表明专注于稳定材料表面的工艺在改善其性能方面可能更成功。

“operando μ介子光谱学的令人兴奋的发展为研究储能材料的研究人员开辟了广泛的机会，允许在操作过程中从材料内部进行离子扩散的独特视角，”Innes解释说。

他补充说：“我期待看到未来的研究，可以将该领域发展到各种电池化学。

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