教育 |《汉堡大学》发现科研之美：物质高级成像
超冷等离子体：
汉堡大学精英研究集群“物质高级成像”（CUI）的研究人员使用强大的激光使动态可视化。这张图片是由2000个电子和2000个离子组成的超冷等离子体的模拟图，它是由一束仅持续几百飞秒的强激光脉冲从超冷原子云中敲击出来的。浅蓝色的线条是电子，由于离子的吸引，很多电子又回到了原点。
位阱粒子：
该项研究的目的是找出在运动中产生的新特性。这张图片是数值模拟的结果，它显示了两个玻色子在二维陷阱中的动量分布，并在两个空间方向上暴露于不同的频率。每一个单独的图形都对应着不同受激状态下的粒子位置、能量及其相互作用的信息。
年度会议：
在汉堡大学“物质高级成像”精英研究集群中，来自物理学、化学和结构生物学的160多名高级和初级研究人员、副研究员、博士和博士后们在原子层面上研究微小粒子的运动。此外，他们的工作还得到了另外170名团队成员的支持。波罗的海精英研究会议为研究集群提供了良好的机会，如往年一样进行跨工作组沟通交流，并采纳灵感和建议。
图片来源：
© Mario Grossmann, AG Sengstock
© George Bougas, AG Schmelcher
© UHH/CUI, Peter Garten
更多信息请详见：https://t.cn/A65HadwO
超冷等离子体：
汉堡大学精英研究集群“物质高级成像”（CUI）的研究人员使用强大的激光使动态可视化。这张图片是由2000个电子和2000个离子组成的超冷等离子体的模拟图，它是由一束仅持续几百飞秒的强激光脉冲从超冷原子云中敲击出来的。浅蓝色的线条是电子，由于离子的吸引，很多电子又回到了原点。
位阱粒子：
该项研究的目的是找出在运动中产生的新特性。这张图片是数值模拟的结果，它显示了两个玻色子在二维陷阱中的动量分布，并在两个空间方向上暴露于不同的频率。每一个单独的图形都对应着不同受激状态下的粒子位置、能量及其相互作用的信息。
年度会议：
在汉堡大学“物质高级成像”精英研究集群中，来自物理学、化学和结构生物学的160多名高级和初级研究人员、副研究员、博士和博士后们在原子层面上研究微小粒子的运动。此外，他们的工作还得到了另外170名团队成员的支持。波罗的海精英研究会议为研究集群提供了良好的机会，如往年一样进行跨工作组沟通交流，并采纳灵感和建议。
图片来源：
© Mario Grossmann, AG Sengstock
© George Bougas, AG Schmelcher
© UHH/CUI, Peter Garten
更多信息请详见：https://t.cn/A65HadwO
【内置灭火功能的锂离子电池？】如果电池研究领域有超级巨星，那么可以确定的是，有一位是定要拥有姓名的 -- 那就是斯坦福大学的科学家Yi Cui，他所在的研究小组多年来在电池技术方面取得了一些重大突破。
现在，Cui和他的研究团队与SLAC国家加速器实验室合作，围绕一种新的聚合物材料为锂离子电池提供了一些令人兴奋的新功能，而这种聚合物材料正被用于锂离子电池的集电器中。研究人员称，这种新的集电器设计提高了锂离子电池的效率，并降低了与这些电池相关的火灾风险。
集电器是一种薄金属箔，它将电流分配给蓄电池中的电极。通常这些金属箔是由铜制成的。Cui和他的团队重新设计了这些电流收集器，使它们仍然主要由铜制成，但现在被一种聚合物包围。
斯坦福大学的研究小组在发表在Nature Energy杂志上的研究报告中称，这种聚合物使电流收集器轻了80%，导致能量密度从16%增加到26%。这比锂离子电池的平均能量密度年增长率有了显著的提高，而锂离子电池似乎永远都保持在每年5%的水平。
这种减轻电池重量的方法是一种提高能量密度的新方法。在过去的几年里，我们已经看到了许多尝试，通过使用新的电极材料，如纳米结构硅来代替活性炭来增加电极的表面积，从而提高能量密度。虽然增加的表面积可能会增加充电容量，但能量密度是通过电池总重量的总能量来计算的。
斯坦福大学研究员、本研究的合著者Yusheng Ye解释说：“集电器不影响总能量，但会增加电池的总重量。这就是为什么我们称集电器为电池的‘自重’，而不是电极材料的‘有效重量’。”
通过减轻集电器的重量，即使电池的总能量几乎不变，也可以提高能量密度。尽管这项研究提供了更高的能量密度，但它并不能完全缓解与电动汽车相关的所谓的“距离焦虑症”，即人们担心在到达下一个充电位置之前电力耗尽。虽然新闻稿声称这项工作将扩大电动汽车的使用范围，但Ye指出，这项最新发展中的具体能源改进是基于电池本身。因此，电动汽车的续航里程可能只有10%左右的提升。
Ye说：“例如，为了将航程从400英里提高到600英里，需要做更多的工程工作，同时考虑到电池的活性部分需要与我们的超轻型集电器一起解决。”
除了提高能量密度效率外，聚合物电荷收集器有望帮助减少锂离子电池引起的火灾。当然，传统的铜集电器本身不会对电池燃烧产生影响。锂离子电池的燃烧问题与电解液和隔膜有关，它们未在建议的温度和电压窗口内使用。
Ye说：“我们新型集电器的一个关键创新在于，我们能够在不牺牲集电器的能量密度和机械强度的情况下，将阻燃剂嵌入其中。每当电池出现燃烧问题时，我们的集电器会立即释放阻燃剂并灭火。传统的铜或铝集电器无法实现这种功能。”集电器立即释放阻燃剂，可以防止电池发生爆炸等危害。整个过程仅有几秒钟，即便是重新尝试点燃，也无法再次出现火焰。
研究人员已经获得了这项技术的专利，并正在与电池制造商讨论商业化问题。Cui和他的团队已经计算出了采用这种聚合物的一些成本，它们看起来很有吸引力。据Ye介绍，这种聚合物复合电荷收集器的成本在每平方米1.3美元左右，比铜箔的成本低一点，铜箔的成本在每平方米1.4美元左右。有了这些令人鼓舞的数字，”叶补充说：“我们预计工业界将在未来几年内采用这种技术。”
https://t.cn/A6GQKqp7
现在，Cui和他的研究团队与SLAC国家加速器实验室合作，围绕一种新的聚合物材料为锂离子电池提供了一些令人兴奋的新功能，而这种聚合物材料正被用于锂离子电池的集电器中。研究人员称，这种新的集电器设计提高了锂离子电池的效率，并降低了与这些电池相关的火灾风险。
集电器是一种薄金属箔，它将电流分配给蓄电池中的电极。通常这些金属箔是由铜制成的。Cui和他的团队重新设计了这些电流收集器，使它们仍然主要由铜制成，但现在被一种聚合物包围。
斯坦福大学的研究小组在发表在Nature Energy杂志上的研究报告中称，这种聚合物使电流收集器轻了80%，导致能量密度从16%增加到26%。这比锂离子电池的平均能量密度年增长率有了显著的提高，而锂离子电池似乎永远都保持在每年5%的水平。
这种减轻电池重量的方法是一种提高能量密度的新方法。在过去的几年里，我们已经看到了许多尝试，通过使用新的电极材料，如纳米结构硅来代替活性炭来增加电极的表面积，从而提高能量密度。虽然增加的表面积可能会增加充电容量，但能量密度是通过电池总重量的总能量来计算的。
斯坦福大学研究员、本研究的合著者Yusheng Ye解释说：“集电器不影响总能量，但会增加电池的总重量。这就是为什么我们称集电器为电池的‘自重’，而不是电极材料的‘有效重量’。”
通过减轻集电器的重量，即使电池的总能量几乎不变，也可以提高能量密度。尽管这项研究提供了更高的能量密度，但它并不能完全缓解与电动汽车相关的所谓的“距离焦虑症”，即人们担心在到达下一个充电位置之前电力耗尽。虽然新闻稿声称这项工作将扩大电动汽车的使用范围，但Ye指出，这项最新发展中的具体能源改进是基于电池本身。因此，电动汽车的续航里程可能只有10%左右的提升。
Ye说：“例如，为了将航程从400英里提高到600英里，需要做更多的工程工作，同时考虑到电池的活性部分需要与我们的超轻型集电器一起解决。”
除了提高能量密度效率外，聚合物电荷收集器有望帮助减少锂离子电池引起的火灾。当然，传统的铜集电器本身不会对电池燃烧产生影响。锂离子电池的燃烧问题与电解液和隔膜有关，它们未在建议的温度和电压窗口内使用。
Ye说：“我们新型集电器的一个关键创新在于，我们能够在不牺牲集电器的能量密度和机械强度的情况下，将阻燃剂嵌入其中。每当电池出现燃烧问题时，我们的集电器会立即释放阻燃剂并灭火。传统的铜或铝集电器无法实现这种功能。”集电器立即释放阻燃剂，可以防止电池发生爆炸等危害。整个过程仅有几秒钟，即便是重新尝试点燃，也无法再次出现火焰。
研究人员已经获得了这项技术的专利，并正在与电池制造商讨论商业化问题。Cui和他的团队已经计算出了采用这种聚合物的一些成本，它们看起来很有吸引力。据Ye介绍，这种聚合物复合电荷收集器的成本在每平方米1.3美元左右，比铜箔的成本低一点，铜箔的成本在每平方米1.4美元左右。有了这些令人鼓舞的数字，”叶补充说：“我们预计工业界将在未来几年内采用这种技术。”
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