為設(shè)計(jì)更好的高性能電池而開發(fā)的新型顯微鏡

鋰離子電池改變了日常生活——幾乎每個(gè)人都擁有智能手機(jī)，路上可以看到更多的電動(dòng)汽車，它們還能在緊急情況下保持發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著越來越多的便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和大規(guī)模電網(wǎng)實(shí)施上線，對(duì)安全且價(jià)格合理的高能量密度電池的需求持續(xù)增長(zhǎng)。

現(xiàn)在，休斯頓大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)與太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，開發(fā)了一種原位反射干涉顯微鏡 (RIM)，可以更好地了解電池的工作原理，這具有重要意義用于下一代電池。

“我們首次實(shí)現(xiàn)了固體電解質(zhì)界面 (SEI) 動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)可視化，”休斯敦大學(xué)卡倫工程學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程助理教授、發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究的通訊作者 Xiaonan Shan 說。納米技術(shù)?！斑@為間相的合理設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵見解，這是一種電池組件，它是為未來電池開發(fā)電解質(zhì)的最不了解和最具挑戰(zhàn)性的障礙。”

高靈敏度顯微鏡使研究人員能夠研究 SEI 層，這是電池電極表面上決定電池性能的極薄且脆弱的層。它的化學(xué)成分和形態(tài)在不斷變化——這給研究帶來了挑戰(zhàn)。

“了解 SEI 的形成和演化需要一種動(dòng)態(tài)、非侵入性和高靈敏度的原位成像工具。這種能夠直接探測(cè) SEI 的技術(shù)很少見，而且非常可取，”Yan Yao、Hugh Roy 和 Lillie Cranz 說。 Cullen 電氣和計(jì)算機(jī)工程特聘教授和共同通訊作者，過去四年與 Shan 一起在這個(gè)項(xiàng)目上工作。

“我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，RIM 是同類產(chǎn)品中第一個(gè)提供對(duì) SEI 層工作機(jī)制的重要見解并幫助設(shè)計(jì)更好的高性能電池的產(chǎn)品，”同時(shí)也是德克薩斯超導(dǎo)中心首席研究員的 Yao 說。在休斯頓大學(xué)。

研究人員表示，新技術(shù)平臺(tái)使他們可以在介觀尺度對(duì)電池的動(dòng)態(tài)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，要做到這一點(diǎn)很難但很重要。有了這一技術(shù)，他們有能力實(shí)時(shí)解析粒子化學(xué)成分和電流密度的變化情況，研究電池的充放電過程，并對(duì)單個(gè)電池粒子內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行成像，這對(duì)更好地理解電池的充電機(jī)制和優(yōu)化電池性能很有幫助。

怎么運(yùn)行的

研究團(tuán)隊(duì)在該項(xiàng)目中應(yīng)用了干涉反射顯微鏡的原理，光束——以 600 納米為中心，光譜寬度約為 10 納米——被導(dǎo)向電極和 SEI 層并被反射。采集到的光強(qiáng)包含不同層間的干涉信號(hào)，攜帶著SEI演化過程的重要信息，讓研究人員能夠觀察到整個(gè)反應(yīng)過程。

“RIM 對(duì)表面變化非常敏感，這使我們能夠以大尺度高空間和時(shí)間分辨率監(jiān)測(cè)同一位置，”在該項(xiàng)目中進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)工作的 UH 研究生 Guangxia Feng 說。

研究人員指出，目前大多數(shù)電池研究人員使用的是冷凍電子顯微鏡，這種顯微鏡只能在特定時(shí)間拍攝一張照片，無法連續(xù)跟蹤同一位置的變化。

“我想通過調(diào)整和開發(fā)新的表征和成像方法，從不同的角度進(jìn)行能源研究，這些方法提供了新的信息來理解能量轉(zhuǎn)換過程中的反應(yīng)機(jī)制，”單說，他專門開發(fā)成像技術(shù)和光譜技術(shù)來研究電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換中的反應(yīng)。這種新的成像技術(shù)也可以應(yīng)用于其他最先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

獲得博士學(xué)位的馮。在 2022 年從 UH 獲得電氣工程博士學(xué)位，計(jì)劃在不斷發(fā)展的電池技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步研究。

“要實(shí)現(xiàn)下一代電池，了解反應(yīng)機(jī)制和新型材料至關(guān)重要，”她說，并補(bǔ)充說開發(fā)更高能量的電池也有利于環(huán)境?！拔乙恢毕氤蔀橐幻茖W(xué)家，因?yàn)樗麄兛梢宰寕ゴ蟮氖虑榘l(fā)生在人們身上，讓世界變得更美好。”