可充电锂离子电池的艺术家效果图。(来源:Black_Kira /在上面)
在三个月的时间里，美国每辆汽车平均产生一公吨的二氧化碳。用它乘以地球上所有的汽油动力汽车，会是什么样子?一个无法解决的问题。
但新的研究表明，如果我们承诺到2050年实现碳排放净零，并在许多其他清洁能源解决方案中以电动汽车取代高油耗汽车，那么就有希望。
为了帮助我们的国家实现这一目标，像William Chueh和David Shapiro这样的科学家正在共同努力，提出新的策略，以设计更安全的、由可持续的、地球上丰富的材料制成的长距离电池。
从左至右:大卫·夏皮罗，伯克利实验室高级光源的高级工作人员科学家;William Chueh，斯坦福大学材料科学与工程副教授。他们开创性的x射线技术可以帮助研究人员了解电池材料如何在原子尺度上实时工作。(来源:罗伊·卡特施密特/伯克利实验室;William Chueh的肖像由斯坦福提供)
他是斯坦福大学材料科学与工程副教授，致力于从下至上重新设计现代电池。他依靠美国能源部科学用户设施的最先进的工具，如伯克利实验室的先进光源(ALS)和SLAC的斯坦福同步辐射光源(产生明亮x射线光束的同步设备)，揭开了电池材料工作中的分子动力学。
在近十年的时间里，Chueh与Shapiro合作，他是ALS的高级研究人员，同时也是同步加速器领域的顶尖专家。他们共同的工作成果带来了令人惊叹的新技术，首次揭示了电池材料是如何实时地以肉眼无法看到的空前规模工作的。
他们在问答环节讨论了他们的开创性工作。
问:是什么让你对电池/储能研究感兴趣?
觉:我的工作几乎完全是由可持续发展驱动的。21世纪初，当我还是一名研究生的时候，我参与了能源材料的研究——我在研究燃料电池技术。当我在2012年加入斯坦福大学时，我意识到可扩展和高效的能量存储是至关重要的。
今天，我非常兴奋地看到，摆脱化石燃料的能源转型正在成为现实，而且正在以令人难以置信的规模实施。
我有三个目标:第一，我正在做基础研究，为实现能量转换奠定基础，特别是在材料发展方面。其次，我正在培养世界级的科学家和工程师，他们将走到现实世界中去解决这些问题。第三，我将基础科学转化为实际应用，通过企业家精神和技术转移。
关于最后一点，我很高兴在不到一年前疫情期间创办了电池材料公司Mitra Chem。米特拉化学公司正致力于将其中一些想法商业化。
所以，希望这能让你全面了解是什么在驱动我，以及我认为如何才能有所作为:是知识、人和技术。
由伯克利实验室、SLAC和斯坦福大学共同领导的研究小组在先进光源进行了详细的x射线测量，从而揭示了氧气是如何从构成锂离子电池电极的数十亿纳米颗粒中渗透出来的。(来源:伯克利实验室)
夏皮罗:我的研究背景是光学和相干x射线散射，所以当我2012年开始在渐冻人症研究时，电池并不是我真正关注的领域。我的任务是开发高空间分辨率x射线显微镜的新技术，但这很快导致了应用，并试图弄清楚伯克利实验室和其他实验室的研究人员在做什么，他们的需求是什么。
当时，大约在2013年，ALS研究人员进行了大量工作，使用各种技术，利用软x射线的化学敏感性来研究电池材料的相变，特别是磷酸铁锂(LiFePO4)。
威尔的工作给我留下了深刻的印象，还有杨万利、乔迪·卡巴纳(曾是伯克利实验室能源技术领域(ETA)的工作人员，现在是伊利诺伊大学芝加哥分校的副教授)，以及其他一些人，他们的工作也是建立在ETA研究人员罗伯特·科斯泰基和马卡·多夫的工作基础上的。
当时我对电池一无所知，但这一研究领域的科学和社会影响很快对我产生了影响。整个伯克利实验室的研究协同作用也给我留下了深刻的印象，我想弄清楚如何在这方面做出贡献。所以我开始接触人们，看看我们能一起做些什么。
事实证明，我们非常需要提高电池材料测量的空间分辨率，并在循环过程中观察它们——到现在，威尔和我已经在这方面工作了近十年。
问:威尔，作为一名电池科学家，你认为制造更好的电池最大的挑战是什么?
觉:电池有10个指标需要同时协同优化。制造一个在10个指标中可能有5个都好用的电池很容易，但要制造一个在所有指标上都好用的电池却非常具有挑战性。
例如，假设你想要一个能量密集的电池，这样你每次充电可以驾驶一辆电动汽车行驶500英里。你可能需要一个能在10分钟内充电的电池。你可能想要一个可以使用20年的电池。你还需要一个永不爆炸的电池。但要同时满足所有这些指标是很困难的。
我们试图做的是了解如何创造一种安全、持久、可以在10分钟内充电的单一电池技术。
而这正是我们在伯克利实验室的高级光源实验所要做的最基本的洞见:揭示那些无法解释的权衡，这样我们就可以超越今天的设计规则，这将使我们能够识别新的材料和新的机制，从而使我们从这些限制中解放出来。
学习更多的关于先进光源升级项目:
概述:先进光源升级(ALS-U)项目“先进光源升级项目实现重大里程碑”新闻稿宣布CD-2批准，发布于2021年4月16日“先进光源升级项目里程碑将带来一个新的环”新闻稿宣布CD-3A批准，发布于2020年1月8日“迈向新光源:先进光源升级项目向前推进”新闻稿宣布CD-1批准，发布于2018年9月26日迈向新的光明:ALS升级项目向前迈进 2016年10月3日发布的新闻稿宣布CD-0(任务需要)批准问:ALS提供了哪些独特的功能，有助于推动电池或储能研究的边界?
觉慧:要想知道发生了什么事，就得先看一看。我们需要观察。我的团队的一个关键理念是拥抱电池材料的动力学和异质性。电池材料不像岩石。它不是静态的。你每天为你的手机充电或放电，每周为你的电动汽车充电或放电。你不开车就不懂车是怎么开的。
第二部分是异质电池材料具有极长的跨度。一个电池一般只有几厘米高，但为了了解电池内部发生了什么——我有一些漂亮的图片——你想要一直看到纳米级和原子级。大约是10个数量级的长度。
先进的光源使像我这样的科学家能够以前所未有的方式来接受电池的异质性和动力学:我们可以测量非常缓慢的过程。我们可以测量非常快的过程。我们可以在数百微米(百万分之一米)的尺度上测量东西。我们可以测量纳米尺度(十亿分之一米)的东西。所有这些都用伯克利实验室的一个神奇的工具完成。
夏皮罗:扫描透射x射线显微镜(STXM)是一种非常流行的基于同步加速器的方法。世界上大多数的同步加速器都至少有一台STXM仪器，而渐冻人只有3台，而第4台正在通过渐冻人升级(ALS- u)项目进行中。
我认为有几件事使我们的节目与众不同。首先，我们有专业的乐器组合。其中一种是优化的轻元素光谱学，所以像氧这样的元素，是电池化学的关键成分，可以精确地表征。
另一种仪器专门用于绘制非常高的空间分辨率的化学成分图。我们拥有世界上最高空间分辨率的x射线显微镜。这是非常强大的放大化学反应发生在电池的单个纳米颗粒和界面。
我们的第三种仪器专门用于电池化学的“operando”测量，您需要它来真正理解电池循环过程中发生的物理和化学演变。
我们还努力与伯克利实验室的其他设施建立协同效应。例如，我们的高分辨率显微镜与伯克利实验室纳米科学用户设施分子Foundry的电子显微镜使用相同的样本环境——因此，用x射线和电子探测相同的活性电池环境是可行的。威尔用这种相关的方法研究了电池材料的化学状态和结构应变之间的关系。这在我们所能接触到的长度尺度上是前所未有的，它提供了新的见解。
信贷:Black_Kira /上面
问:ALS升级项目将如何推进下一代储能技术?升级后的ALS将为伯克利实验室的电池/储能研究人员提供什么独特的东西?
夏皮罗:就显微镜技术而言，升级版的ALS将是独一无二的，原因有几个。首先，它将成为世界上最亮的软x射线源，为样品提供比我们今天所拥有的x射线多100倍的x射线。扫描显微镜技术将受益于这种高亮度。
这既是一个巨大的机遇，也是一个巨大的挑战。我们可以用这个亮度来测量我们今天得到的数据，但要以100倍的速度来测量是一个挑战。
通过扩展到更大的长度范围和更小的时间范围，这样的新功能将使我们对电池结构和功能有更准确的统计数据。或者，我们也可以像现在这样以同样的速度测量数据，但空间分辨率要比现在小三倍，从10纳米到几纳米。对于材料科学来说，这是一个非常重要的长度尺度，但今天还无法通过x射线显微镜获得。
另一件使升级的渐冻人肌萎缩侧索硬化症与众不同的事情是它接近分子铸造厂的专家;其他科学领域，如能源技术领域;以及伯克利实验室当前和未来的能源研究中心。这种协同作用将继续推动储能研究。
觉:在电池研究方面，我们目前面临的挑战之一是，我们有太多有趣的问题需要解决，但只做一次测量就需要数小时甚至数天。ALS-U项目将增加实验的吞吐量，并允许我们在更高的分辨率和更小的尺度上探测材料。总的来说，这将促成新的科学。多年前，我为ALS- u的成立做出了贡献，所以我非常自豪能成为其中的一员——我非常兴奋地看到升级版ALS上线，这样我们就可以利用它令人兴奋的新功能来做我们今天无法做的科学。
推荐阅读：北京靠谱助孕机构
