目前正在開發的最新一代鋰離子電池有望為手機、電動汽車、筆記本電腦和無數其他設備的供電帶來一場革命。這些新電池采用了所有固態、不可燃的組件，與傳統的鋰離子電池相比，它們更輕、充電時間更長、充電速度更快、使用更安全，因為傳統的鋰離子電池含有可能起火的凝膠。

然而，像所有的電池一樣，固態鋰離子電池有一個缺點。由于電化學的相互作用，阻抗可能在電池內積累，限制了電流的流動。美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員和他們的同事現在已經確定了這種積聚的大部分發生地點。在此過程中，該團隊提出了一個簡單的重新設計，可以極大地限制阻抗的積累，使電池能夠履行其作為下一代電源的作用。

鋰離子電池由兩個片狀終端組成，即陽極（負極）和陰極（正極），被一種稱為電解質的離子傳導介質隔開(在普通鋰離子電池中，電解質是一種凝膠，在固態電池中是一種固體）。在放電過程中，鋰離子從陽極通過電解質流向陰極，迫使電子在外部電路中移動，產生為設備供電的電流。

阻抗通常出現在兩個電極中的任何一個與電解質的界面上。但要找到確切的位置，需要了解鋰離子的分布和每個界面的電壓差。

其他團隊以前的研究無法明確定位問題區域，因為他們使用的工具是對整個電池的阻抗進行平均化，而不是在設備內的單個位置進行測量。NIST團隊，包括來自加州利弗莫爾的桑迪亞國家實驗室、華盛頓特區的海軍研究實驗室和幾所大學的合作者，使用了兩種互補的方法來研究固態鋰離子電池中納米尺度的阻抗。

其中一種方法，即開爾文探針力顯微鏡，使用原子力顯微鏡的尖銳尖端在一個開放的電池的不同層上盤旋，對每個表面上的電壓分布進行成像。探針顯示，電池內最大的電壓下降發生在電解質/陽極界面，表明這是一個高阻抗的區域(如果整個電池具有低阻抗，那么內部電壓降會在電池內各處逐漸平穩地變化）。

第二種方法，即中子深度剖析，使用一束在NIST中子研究中心產生的低能量中子來探測鋰的納米級分布和濃度。由于中子深度剖析不會傷害電池，研究人員能夠在電池運行時采用這種技術。

當來自光束的低能量中子被電池中的鋰吸收時，它們產生了高能帶電粒子、阿爾法（4He）和氚（3H）。產生的這些帶電粒子的數量以及它們在通過電池的各層后保留的能量表明了電池中不同地方的鋰離子濃度。

測量結果顯示，鋰離子堆積的主要部位，減少了電流的流動，發生在電解質和陽極之間的邊界--這也是開爾文探針力顯微鏡檢測到的最大電壓下降的部位。

來自NIST和位于CollegePark的馬里蘭大學納米中心的團隊成員EvgheniStrelcov說，綜合來看，開爾文探針力顯微鏡和中子深度剖析技術的結果明確地表明，大部分阻抗產生于電解質/陽極界面。

研究人員說："這項工作表明，中子深度剖析，結合開爾文探針力顯微鏡和理論建模，繼續推進我們對鋰離子電池內部運作的理解。”

在分析他們的發現時，科學家們得出結論，如果在陽極和電解質之間添加其他材料層，他們在界面上發現的阻抗可以大大降低。添加適當的相互粘連的中間層將防止電解質和陽極直接相互作用。這是一個好處，因為當電解質和陽極直接接觸時，它們有時會形成一層薄薄的材料，阻礙了離子的傳輸。

下一步，研究人員希望對界面進行設計，使其具有高的離子和電子傳導性。