Nyt mikroskop udviklet til at designe bedre højtydende batterier: Innovation giver forskere et indblik i, hvordan batterier fungerer

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Nyt mikroskop udviklet til at designe bedre højtydende batterier: Innovation giver forskere et indblik i, hvordan batterier fungerer

Som professor Xiaonan Shan bemærker, arbejder Guangxia Feng, uddannet fra University of Houston, på operando-reflektionsinterferensmikroskopet (RIM) inde i en "handskeboks", fordi lithium-ion-batteriets elektrolyt er brandfarlig. KREDIT
University of Houston

Abstract:
Lithium-ion-batterier har forvandlet hverdagen – næsten alle har en smartphone, flere elektriske køretøjer kan ses på vejene, og de holder strømgeneratorerne i gang i nødsituationer. Efterhånden som flere bærbare elektroniske enheder, elektriske køretøjer og storskala netimplementeringer kommer online, fortsætter efterspørgslen efter batterier med højere energitæthed, som er sikre og overkommelige, med at vokse.

Nyt mikroskop udviklet til at designe bedre højtydende batterier: Innovation giver forskere et indblik i, hvordan batterier fungerer

Houston, TX | Udgivet den 10. februar 2023

Nu har et forskerhold fra University of Houston i samarbejde med forskere fra Pacific Northwest National Laboratory og US Army Research Laboratory udviklet et operando-reflektionsinterferensmikroskop (RIM), der giver en bedre forståelse af, hvordan batterier fungerer, hvilket har betydelige implikationer til næste generation af batterier.

"Vi har opnået real-time visualisering af solid electrolyte interphase (SEI) dynamik for første gang," sagde Xiaonan Shan, assisterende professor i elektro- og computerteknik ved UH's Cullen College of Engineering og tilsvarende forfatter til en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanoteknologi. "Dette giver nøgleindsigt i det rationelle design af interfaser, en batterikomponent, der har været den mindst forståede og mest udfordrende barriere for at udvikle elektrolytter til fremtidige batterier."

Det meget følsomme mikroskop giver forskerne mulighed for at studere SEI-laget, som er et ekstremt tyndt og skrøbeligt lag på batterielektrodens overflade, der bestemmer batteriets ydeevne. Dens kemiske sammensætning og morfologi ændrer sig løbende - hvilket gør det til en udfordring at studere.

"Et dynamisk, ikke-invasivt og højfølsomt operando-billeddannelsesværktøj er påkrævet for at forstå dannelsen og udviklingen af SEI. En sådan teknik, der er i stand til direkte at sondere SEI, har været sjælden og yderst ønskværdig," sagde Yan Yao, Hugh Roy og Lillie Cranz Cullens fremtrædende professor i elektro- og computerteknik og en medkorresponderende forfatter, der har arbejdet med Shan på dette projekt for sidste fire år.

"Vi har nu demonstreret, at RIM er den første af sin slags, der giver kritisk indsigt i SEI-lagets arbejdsmekanisme og hjælper med at designe bedre højtydende batterier," sagde Yao, som også er hovedefterforsker af Texas Center for Superconductivity ved University of Houston.

Sådan fungerer det

Forskerholdet anvendte princippet om interferensreflektionsmikroskopi i projektet, hvor lysstrålen – centreret ved 600 nanometer med spektrumbredde på omkring 10 nanometer – blev rettet mod elektroderne og SEI-lagene og reflekteret. Den indsamlede optiske intensitet indeholder interferenssignaler mellem forskellige lag, der bærer vigtig information om udviklingsprocessen for SEI og giver forskerne mulighed for at observere hele reaktionsprocessen.

"RIM er meget følsom over for overfladevariationer, hvilket gør os i stand til at overvåge den samme placering med storstilet høj rumlig og tidsmæssig opløsning," sagde UH-kandidatstuderende Guangxia Feng, som udførte meget af det eksperimentelle arbejde på projektet.

Forskerne bemærker, at de fleste batteriforskere i øjeblikket bruger kryo-elektronmikroskoper, som kun tager et billede på et bestemt tidspunkt og ikke kontinuerligt kan spore ændringerne på samme sted.

"Jeg ønskede at nærme mig energiforskning fra en anden vinkel ved at tilpasse og udvikle nye karakteriserings- og billeddannelsesmetoder, som giver ny information til at forstå reaktionsmekanismen i energiomdannelsesprocesser," sagde Shan, der har specialiseret sig i at udvikle billeddannelsesteknikker og spektrometriteknikker til at studere elektrokemiske reaktioner i energilagring og omdannelser. Denne nye billedbehandlingsteknik kan også anvendes på andre avancerede energilagringssystemer.

Feng, der fik en ph.d. i elektroteknik fra UH i 2022, planlægger at forfølge yderligere forskning inden for det voksende felt inden for batteriteknologi.

"For at realisere den næste generation af batterier er det vigtigt at forstå reaktionsmekanismerne og de nye materialer," sagde hun og tilføjede, at udvikling af højere energibatterier også gavner miljøet. "Jeg har altid ønsket at være videnskabsmand, fordi de kan få store ting til at ske for mennesker og ændre verden til det bedre."

Wu Xu fra Pacific Northwest National Lab, en ekspert i elektrolytdesign, hjalp med projektdesignet og gav kritisk indsigt i den elektrolyt, der skulle bruges. Kang Xu, en ekspert i SEI-forskningen ved Army Research Lab, gav betydelig indsigt for at hjælpe med at forstå det observerede fænomen. Begge er co-korresponderende forfattere til papiret.

Feng og en anden UH-ingeniørstuderende Yaping Shi, sammen med Hao Jia fra PNNL, er hovedforfatterne af undersøgelsen. Andre bidragydere er Xu Yan, Yanliang Liang, Chaojie Yang og Ye Zhang fra UH; Mark Engelhard hos PNNL.

####

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Rashda Khan
University of Houston

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke: