Νέο μικροσκόπιο που αναπτύχθηκε για τον σχεδιασμό καλύτερων μπαταριών υψηλής απόδοσης: Η καινοτομία δίνει στους ερευνητές άποψη για το πώς λειτουργούν οι μπαταρίες

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Αρχική > Τύπος > Νέο μικροσκόπιο που αναπτύχθηκε για τον σχεδιασμό καλύτερων μπαταριών υψηλής απόδοσης: Η καινοτομία δίνει στους ερευνητές μια πλήρη εικόνα του τρόπου λειτουργίας των μπαταριών

Όπως παρατηρεί ο καθηγητής Xiaonan Shan, ο απόφοιτος του Πανεπιστημίου του Χιούστον, Guangxia Feng, εργάζεται στο μικροσκόπιο παρεμβολής ανάκλασης operando (RIM) μέσα σε ένα «ντουλάπι με γάντια», επειδή ο ηλεκτρολύτης της μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι εύφλεκτος. ΠΙΣΤΩΣΗ
Πανεπιστήμιο του Χιούστον

Περίληψη:
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αλλάξει την καθημερινή ζωή – σχεδόν όλοι έχουν smartphone, περισσότερα ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να εντοπιστούν στους δρόμους και κρατούν τις γεννήτριες σε λειτουργία σε περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης. Καθώς όλο και περισσότερες φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτρικά οχήματα και εφαρμογές δικτύου μεγάλης κλίμακας έρχονται στο διαδίκτυο, η ζήτηση για μπαταρίες υψηλότερης πυκνότητας ενέργειας που είναι ασφαλείς και προσιτές συνεχίζει να αυξάνεται.

Νέο μικροσκόπιο που αναπτύχθηκε για τον σχεδιασμό καλύτερων μπαταριών υψηλής απόδοσης: Η καινοτομία δίνει στους ερευνητές μια πλήρη εικόνα του τρόπου λειτουργίας των μπαταριών

Χιούστον, Τέξας | Δημοσιεύτηκε στις 10 Φεβρουαρίου 2023

Τώρα, μια ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Χιούστον, σε συνεργασία με ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού και το Ερευνητικό Εργαστήριο Στρατού των ΗΠΑ, ανέπτυξε ένα μικροσκόπιο παρεμβολής ανάκλασης operando (RIM) που παρέχει καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των μπαταριών, κάτι που έχει σημαντικές επιπτώσεις για την επόμενη γενιά μπαταριών.

«Έχουμε επιτύχει οπτικοποίηση σε πραγματικό χρόνο της δυναμικής ενδιάμεσης φάσης στερεών ηλεκτρολυτών (SEI) για πρώτη φορά», δήλωσε ο Xiaonan Shan, επίκουρος καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών στο Cullen College of Engineering του UH και αντίστοιχος συγγραφέας μιας μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature. Νανοτεχνολογία. «Αυτό παρέχει βασική εικόνα για τον ορθολογικό σχεδιασμό των ενδιάμεσων φάσεων, ένα συστατικό μπαταρίας που υπήρξε το λιγότερο κατανοητό και πιο δύσκολο εμπόδιο στην ανάπτυξη ηλεκτρολυτών για μελλοντικές μπαταρίες».

Το εξαιρετικά ευαίσθητο μικροσκόπιο επιτρέπει στους ερευνητές να μελετήσουν το στρώμα SEI, το οποίο είναι ένα εξαιρετικά λεπτό και εύθραυστο στρώμα στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου της μπαταρίας που καθορίζει την απόδοση της μπαταρίας. Η χημική του σύνθεση και η μορφολογία του αλλάζουν συνεχώς – καθιστώντας το μια πρόκληση για μελέτη.

«Απαιτείται ένα δυναμικό, μη επεμβατικό και υψηλής ευαισθησίας εργαλείο απεικόνισης operando για την κατανόηση του σχηματισμού και της εξέλιξης του SEI. Μια τέτοια τεχνική με δυνατότητα άμεσης ανίχνευσης του SEI ήταν σπάνια και ιδιαίτερα επιθυμητή», δήλωσε ο Yan Yao, ο Hugh Roy και η Lillie Cranz Cullen διακεκριμένος καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών και συν-ανταποκριτής συγγραφέας που έχει εργαστεί με τον Shan σε αυτό το έργο για το τελευταία τέσσερα χρόνια.

«Έχουμε πλέον αποδείξει ότι η RIM είναι η πρώτη του είδους της που παρέχει κριτική εικόνα για τον μηχανισμό λειτουργίας του στρώματος SEI και βοηθά στο σχεδιασμό καλύτερων μπαταριών υψηλής απόδοσης», δήλωσε ο Yao, ο οποίος είναι επίσης ο κύριος ερευνητής του Texas Center for Superconductivity. στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον.

Πώς λειτουργεί

Η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε την αρχή της μικροσκοπίας ανάκλασης παρεμβολής στο έργο, όπου η δέσμη φωτός - επικεντρωμένη στα 600 νανόμετρα με εύρος φάσματος περίπου 10 νανόμετρα - κατευθύνθηκε προς τα ηλεκτρόδια και τα στρώματα SEI και ανακλήθηκε. Η συλλεγόμενη οπτική ένταση περιέχει σήματα παρεμβολής μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων, μεταφέροντας σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη διαδικασία εξέλιξης του SEI και επιτρέποντας στους ερευνητές να παρατηρήσουν ολόκληρη τη διαδικασία αντίδρασης.

«Το RIM είναι πολύ ευαίσθητο στις επιφανειακές παραλλαγές, γεγονός που μας επιτρέπει να παρακολουθούμε την ίδια τοποθεσία με μεγάλη χωρική και χρονική ανάλυση μεγάλης κλίμακας», δήλωσε ο μεταπτυχιακός φοιτητής του UH Guangxia Feng, ο οποίος πραγματοποίησε μεγάλο μέρος της πειραματικής εργασίας στο έργο.

Οι ερευνητές σημειώνουν ότι οι περισσότεροι ερευνητές μπαταριών χρησιμοποιούν αυτήν τη στιγμή κρυοηλεκτρονικά μικροσκόπια, τα οποία τραβούν μόνο μία φωτογραφία τη συγκεκριμένη στιγμή και δεν μπορούν να παρακολουθούν συνεχώς τις αλλαγές στην ίδια τοποθεσία.

«Ήθελα να προσεγγίσω την ενεργειακή έρευνα από μια διαφορετική οπτική γωνία, προσαρμόζοντας και αναπτύσσοντας νέες μεθόδους χαρακτηρισμού και απεικόνισης που παρέχουν νέες πληροφορίες για την κατανόηση του μηχανισμού αντίδρασης στις διαδικασίες μετατροπής ενέργειας», είπε ο Shan, ο οποίος ειδικεύεται στην ανάπτυξη τεχνικών απεικόνισης και τεχνικών φασματομετρίας για τη μελέτη ηλεκτροχημικών αντιδράσεις στην αποθήκευση και τις μετατροπές ενέργειας. Αυτή η νέα τεχνική απεικόνισης θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε άλλα υπερσύγχρονα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

Feng, ο οποίος απέκτησε Ph.D. στην ηλεκτρική μηχανική από το UH το 2022, σχεδιάζει να συνεχίσει περαιτέρω έρευνα στον αναπτυσσόμενο τομέα της τεχνολογίας μπαταριών.

«Για να υλοποιήσουμε την επόμενη γενιά μπαταριών, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς αντίδρασης και τα νέα υλικά», είπε, προσθέτοντας ότι η ανάπτυξη μπαταριών υψηλότερης ενέργειας ωφελεί επίσης το περιβάλλον. «Πάντα ήθελα να γίνω επιστήμονας γιατί μπορούν να κάνουν σπουδαία πράγματα να συμβούν για τους ανθρώπους και να αλλάξουν τον κόσμο προς το καλύτερο».

Ο Wu Xu από το Pacific Northwest National Lab, ειδικός στα σχέδια ηλεκτρολυτών, βοήθησε στο σχεδιασμό του έργου και παρείχε κρίσιμη εικόνα για τον ηλεκτρολύτη που θα χρησιμοποιηθεί. Ο Kang Xu, ειδικός στην έρευνα SEI στο Army Research Lab, έδωσε σημαντικές πληροφορίες για να βοηθήσει στην κατανόηση του φαινομένου που παρατηρήθηκε. Και οι δύο είναι συν-αντίστοιχοι συγγραφείς της εργασίας.

Ο Φενγκ και ένας άλλος φοιτητής μηχανικής του UH Yaping Shi, μαζί με τον Hao Jia από το PNNL, είναι οι κύριοι συγγραφείς της μελέτης. Άλλοι συνεισφέροντες είναι οι Xu Yan, Yanliang Liang, Chaojie Yang και Ye Zhang από το UH. Mark Engelhard στο PNNL.

####

Για περισσότερες πληροφορίες, πατήστε εδώ

Επαφές:
Ράσντα Χαν
Πανεπιστήμιο του Χιούστον

Πνευματικά δικαιώματα © Πανεπιστήμιο του Χιούστον

Εάν έχετε ένα σχόλιο, παρακαλώ Επικοινωνία και εμείς με χαρά θα σας εξυπηρετήσουμε.

Οι εκδότες δελτίων ειδήσεων, όχι η 7th Wave, Inc. ή η Nanotechnology Now, είναι αποκλειστικά υπεύθυνες για την ακρίβεια του περιεχομένου.

Bookmark: