从特斯拉Model S到Nissan Leaf的大多数电动汽车都使用可充电锂离子电池运行，这是一种昂贵的技术，占车辆总成本的一半以上。一种有希望的替代方案是锂硫电池，理论上它可以以更低的成本存储五倍的能量。
研究人员使用SLAC的透射X射线显微镜在锂硫电池放电的同时，每五分钟拍摄多张微小的硫颗粒图像。每个颗粒都是沙粒尺寸的一小部分。结果很明显：在整个放电周期中，每个粒子都保持其基本形状和大小。
但是锂硫技术有一个主要缺点：经过数十次充电和放电循环后，电池停止工作。
斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的博士后学者Johanna Nelson说：“锂硫电池的循环寿命非常短。”“通常情况下，几十个循环后，电池就会耗尽，因此对于电动汽车而言，它是不可行的，电动汽车在10年或20年的使用寿命中需要进行数千次循环。”
典型的锂硫电池由两个电极（锂金属阳极和硫碳阴极）组成，电极被导电流体或电解质包围。多项研究将电池的短循环寿命归因于消耗了硫阴极的化学反应。
但是尼尔森和她的同事们最近的一项研究使人们对先前实验的有效性产生了怀疑。Stanford-SLAC小组使用实际工作中的电池的高功率X射线成像，发现阴极中的硫颗粒在放电过程中基本上保持完整。他们的研究结果发表在《美国化学学会杂志》（JACS）上，可以帮助科学家找到开发商业上可行的电动汽车锂硫电池的新方法。
JACS研究的主要作者纳尔逊说：“根据以前的实验，我们预计当电池放电时，硫颗粒将从阴极完全消失。”“相反，我们看到的颗粒大小变化只有微不足道的变化，与早期研究发现的恰恰相反。”
尼尔森和她的同事们使用两种强大的成像技术在SLAC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，放电期间和放电之后拍摄纳米级的单个硫颗粒快照，这是锂硫电池在运行中的首次实时成像。
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用电子显微镜进行。”“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发生的变化。”
观看纳尔逊描述自己团队工作的视频：
讨厌的多硫化物
在锂硫电池中，当放电期间阳极中的锂离子与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。
当多硫化物泄漏到电解质中并与锂金属阳极永久结合时，可能会出现问题。纳尔逊说：“当这种情况发生时，多硫化物中的所有硫物质都会损失掉。”“它永远不会回收。您不想每次电池放电后都会损失活性硫物质。您需要一个可以循环使用多次的电池。”
先前的实验还表明，在放电阶段会形成硫化二锂（Li2S）晶体。尼尔森说：“结晶的Li2S和多硫化物可以形成一层阻止电子和锂离子传导的薄膜。”“该薄膜充当绝缘层，可能导致电池耗尽。”
使用电子显微镜进行的多项研究得出了涂有多硫化物和结晶Li2S的电极以及贫硫阴极的图像。这些图像使研究人员得出结论，认为大部分硫已化学转化为Li2S-多硫化物薄片，从而阻止了电池工作。
有缺陷的调查结果
但是据尼尔森和她的同事们说，以前的一些研究是有缺陷的。“他们使用的方法是错误的，”尼尔森说。“通常，他们将对电池进行循环，拆卸，洗去电解液，然后使用X射线衍射或电子显微镜进行分析。”但是，当您这样做时，也会洗掉所有散布在阴极上的多硫化物。因此，当您对阴极成像时，根本看不到任何硫物质。
斯坦福-SLAC团队采用了不同的方法。研究人员使用SLAC的透射X射线显微镜在电池放电时每五分钟拍摄多张微小的硫颗粒图像。每个颗粒都是沙粒尺寸的一小部分。结果很明显：在整个放电周期中，每个粒子都保持其基本形状和大小。
尼尔森说：“我们预计硫会完全消失，并在电解液中形成多硫化物。”“相反，我们发现，在大多数情况下，粒子停留在原处并且质量损失很小。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不用停下来，因为我们可以在设备运行时对硫含量进行成像。”
X射线衍射产生了另一个惊喜。她说：“根据先前的实验，我们预计在放电周期结束时会形成结晶Li2S。”“但是我们进行了非常深的放电，从未见过任何处于其结晶态的Li2S。”
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