约翰娜·尼尔森（Johanna Nelson）使用功能强大的X射线成像来研究锂硫电电池，这是一项有前途的技术，可以每天电动电动汽车。 纳尔逊与SLAC和斯坦福大学的科学家合作，拍摄了单个硫颗粒的显微镜快照，这是运行中锂硫电池的第一个实时成像。 先前使用标准电子显微镜的研究表明，循环后阴极大量硫消失，导致电池死亡。 但是尼尔森的团队表明，硫颗粒主要保持完整。 他们的结果可以帮助科学家开发用于电动汽车的商业可行的锂硫电池。

斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的博士后学者约翰娜·尼尔森（Johanna Nelson）说：“锂硫电池的循环寿命非常短。” “通常，在几十个循环后，电池将死亡，因此对于电动汽车来说，这是不可行的，这在10年或20年的寿命中需要数千个周期。”

典型的锂硫电池由两个电极组成 - 锂金属阳极和一个被导电液或电解质包围的电极。 几项研究将电池短期寿命归因于耗尽硫阴极的化学反应。

但是，纳尔逊和她的同事最近的一项研究引起了人们对先前实验的有效性的怀疑。 使用实际工作电池的高功率X射线成像，斯坦福 - 塞拉克团队发现，在放电期间，阴极中的硫颗粒在很大程度上保持完整。 他们的结果发表在《美国化学学会杂志》（JACS）上，可以帮助科学家找到新的方法来开发用于电动汽车的商业可行性锂硫电池。

JACS研究的主要作者尼尔森说：“根据先前的实验，我们期望电池排出时阴极完全消失。” “取而代之的是，我们只看到粒子大小的变化可忽略不计，这与早期研究发现的完全相反。”

纳尔逊和她的同事使用两种强大的成像技术在SLAC上进行了实验：X射线衍射和透射X射线显微镜。 X射线显微镜使研究人员能够在放电之前，之中和后摄入单个硫颗粒的纳米尺寸快照，这是锂硫电池的第一个实时成像。

尼尔森说：“进行高分辨率成像的标准方法是在电池部分放电后使用电子显微镜。” “但是电子不能很好地穿透金属和塑料。 使用SLAC的X射线显微镜，我们实际上可以看到电池运行时正在发生的变化。”

讨厌的多硫化物

在锂硫电池中，当阳极中的锂离子与放电过程中的阴极在阴极处的硫颗粒反应时，会产生电流。 该化学反应的副产物是称为多硫化锂的化合物。

当多硫硫泄漏到电解质中并与锂金属阳极永久键合时，可能会出现问题。 尼尔森说：“发生这种情况时，多硫化物中的所有硫材料都丢失了。” “它永远不会回收。 您不想每次放电时都会失去活跃的硫材料。 您想要一个可以多次循环的电池。”

先前的实验还表明，在放电阶段，硫化石（LI2S）晶体的形成。 尼尔森说：“结晶液和多硫化物可以形成一种薄膜，以防止电子和锂离子传导。” “这部电影是一种绝缘层，可能导致电池死亡。”

使用电子显微镜的几项研究产生了涂有多硫化物和晶体LI2的电极图像，以及耗尽硫的阴极。 这些图像导致研究人员得出结论，大部分硫都被化学转化为LI2S-Polysulfide片，从而阻止了电池运行。

但是根据纳尔逊和她的同事的说法，以前的一些研究存在缺陷。 尼尔森说：“他们使用的方法是错误的。” “通常，它们会循环电池，拆卸电池，洗净电解质，然后用X射线衍射或电子显微镜分析它。 但是，当您这样做时，您还洗净了松散被困在阴极上的所有多硫化物。 因此，当您成像阴极时，您根本看不到任何硫种。”

斯坦福 - 斯拉克团队采取了不同的方法。 研究人员使用SLAC的传输X射线显微镜在电池排放时每五分钟拍摄每五分钟的微小硫颗粒的多个图像。 每个粒子的一小部分是沙子粒的大小。 结果很明显：每个粒子在整个放电周期中都保留了其基本形状和大小。

尼尔森说：“我们预计硫会完全消失，并在电解质中形成多硫化物。” “相反，我们发现，在大多数情况下，颗粒留在原处，质量很小。 它们确实形成了多硫化物，但大多数被困在碳硫阴极附近。 我们不必拆卸电池，甚至停止电池，因为我们可以在设备运行时对硫含量进行成像。”

X射线衍射产生了额外的惊喜。 她说：“基于以前的实验，我们预计将在放电周期结束时形成结晶LI2。” “但是我们做了非常深的排放，从未见过任何Li2处于结晶状态。”