未来的电动汽车车队将需要高容量电池，可以快速充电，随着时间的推移降低很少，并且安全运行。锂离子(Li-ion)电池 - 类似于便携式电子产品中的电池 - 目前引领电量，但并非没有重大问题。
“与锂离子电池的成本，功率，能量密度和耐久性相关的问题已经减缓了它们在大型应用中的实施，例如电动和混合动力汽车，”丰田汽车公司专门研究储能技术的科学家张瑞刚说。 。“可充电镁(Mg)电池系统是一个有趣的候选产品，它提供比锂更大的地球丰度和更高的存储容量 - 但必要的研究仍然是一个挑战。”
为了探测分子结构并跟踪这些有前途的电池中的快速化学反应，Zhang及其同事转向美国能源部布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心(CFN)。
“CFN拥有一整套强大的观测和分析仪器，”布鲁克海文实验室可持续能源技术部的科学家王峰表示，他将领导与CF的团队合作。“通过我们新开发的成像技术，我们能够以纳米级分辨率实时跟踪镁反应，让我们了解结构紊乱如何以及为何出现并影响性能。并且有可能分析和优化可能有一天的材料让交通更具可持续性。“
在可充电电池中，离子在反向充电的阳极和阴极之间来回穿梭 - 在一个方向上的流动产生电(放电)，而施加外部电压导致在另一个方向上流动(充电)。镁离子携带锂离子的固有电荷的两倍，这意味着它们储存并提供更多能量。但随着这些离子在每个循环中移动，电池材料的十亿分之一结构会降级和转换。
必须在各种条件下探讨降解速率和模式 - 无论是均匀的还是不对称的 - 以了解其潜在的机制。一旦精确定位，科学家们就可以设计新的原子结构或定制化合物，克服这些障碍，延长电池寿命并优化性能。
丰田研究人员计划针对一种有前景的镁阴极的特定化学反应，该阴极由称为富勒烯的空心碳分子组成。该化合物提供一致的能量输出，快速的循环速率和极低的电压滞后 - 这意味着即使在多次充电和放电循环后它仍保持相对完整。尽管如此，电池集成的性能和易用性仍然需要工作，科学家需要充分了解结构演变，结晶机制以及影响电化学反应的其他因素。
“不幸的是，我们的初步X射线衍射(XRD)结果表明材料非晶化 - 晶体结构的损失 - 在操作过程中使得跟随结构演变具有挑战性，”张说。“我们现在计划使用CFN的先进电子显微镜设备进行局部结构研究，特别是在发生反应时跟踪反应，而不仅仅是在之前或之后。”
张的团队将与王一起使用CFN的高分辨率透射电子显微镜(TEM)和电子能量损失光谱(EELS)技术来识别出现或转化时的形态和化学元素。在这些技术中，聚焦的电子束撞击并与材料的原子结构相互作用，然后将这些信息传递到高灵敏度的探测器中。
“丰田的研究目标完全符合我们追踪尖端材料实时化学反应的专业知识，”负责Brookhaven可持续能源技术部门的J. Patrick Looney说。“我们专注于将基础与使用灵感的科学联系起来，与丰田和其他工业合作者所面临的非常实际的挑战保持一致。”
Wang将与CFN的电子显微镜工作人员和布鲁克海文实验室的其他专家一起工作，以促进丰田的研究，甚至开拓新技术和新技术。
“在未来的道路上，我们还计划使用Brookhaven强大的新型X射线光源设备，国家同步加速器光源II，在现实世界的反应条件下实时研究电池特性和反应演变，”张说。
计划于2015年开始运营的世界领先的NSLS-II将实现单纳米分辨率，并实现前所未有的操作能量研究。
“CFN和NSLS-II有着独特的合作关系，允许来自世界各地的科学家在一个地方合成，表征和分析材料，”CFN主任Emilio Mendez说。“这种合作符合我们自己的使命，即解决国家的能源挑战，并为外部用户提供无与伦比的服务，包括来自工业界的用户。我们将在NSLS-II上运行几条光束线，我很想看到丰田和其他用户取得的各种突破。“
张补充说：“解决镁的挑战可能会为其他多价电池打开大门，如镉或铝，从而揭示下一代电池技术。”
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