Nuevo microscopio desarrollado para diseñar mejores baterías de alto rendimiento: la innovación brinda a los investigadores una visión interna de cómo funcionan las baterías

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Como observa el profesor Xiaonan Shan, el graduado de la Universidad de Houston, Guangxia Feng, trabaja en el microscopio de interferencia de reflexión operando (RIM) dentro de una "guante" porque el electrolito de la batería de iones de litio es inflamable. CRÉDITO Universidad de Houston

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Las baterías de iones de litio han transformado la vida cotidiana: casi todo el mundo tiene un teléfono inteligente, se pueden ver más vehículos eléctricos en las carreteras y mantienen los generadores de energía funcionando durante las emergencias. A medida que se conectan más dispositivos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos e implementaciones de redes a gran escala, la demanda de baterías de mayor densidad de energía que sean seguras y asequibles continúa creciendo.

Nuevo microscopio desarrollado para diseñar mejores baterías de alto rendimiento: la innovación brinda a los investigadores una visión interna de cómo funcionan las baterías

Houston, Texas | Publicado el 10 de febrero de 2023

Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Houston, en colaboración con investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., ha desarrollado un microscopio de interferencia de reflexión operando (RIM) que proporciona una mejor comprensión de cómo funcionan las baterías, lo que tiene implicaciones significativas. para la próxima generación de baterías.

"Hemos logrado la visualización en tiempo real de la dinámica de la interfase de electrolitos sólidos (SEI) por primera vez", dijo Xiaonan Shan, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería Cullen de UH y autor correspondiente de un estudio publicado en la revista Nature. Nanotecnología. "Esto proporciona información clave sobre el diseño racional de las interfases, un componente de la batería que ha sido la barrera menos entendida y más desafiante para desarrollar electrolitos para futuras baterías".

El microscopio de alta sensibilidad permite a los investigadores estudiar la capa SEI, que es una capa extremadamente delgada y frágil en la superficie del electrodo de la batería que determina el rendimiento de la batería. Su composición química y su morfología cambian continuamente, lo que lo convierte en un desafío para estudiar.

“Se requiere una herramienta de imagen operativa dinámica, no invasiva y de alta sensibilidad para comprender la formación y evolución de SEI. Tal técnica capaz de sondear directamente SEI ha sido rara y muy deseable”, dijo Yan Yao, Profesor Distinguido Hugh Roy y Lillie Cranz Cullen de ingeniería eléctrica e informática y coautor correspondiente que ha trabajado con Shan en este proyecto para el últimos cuatro años.

"Ahora hemos demostrado que RIM es el primero de su tipo en proporcionar información crítica sobre el mecanismo de trabajo de la capa SEI y ayudar a diseñar mejores baterías de alto rendimiento", dijo Yao, quien también es el investigador principal del Centro de Superconductividad de Texas. en la Universidad de Houston.

Cómo funciona

El equipo de investigación aplicó el principio de microscopía de reflexión de interferencia en el proyecto, donde el haz de luz, centrado en 600 nanómetros con un ancho de espectro de aproximadamente 10 nanómetros, se dirigió hacia los electrodos y las capas SEI y se reflejó. La intensidad óptica recopilada contiene señales de interferencia entre diferentes capas, lo que aporta información importante sobre el proceso de evolución de SEI y permite a los investigadores observar todo el proceso de reacción.

“El RIM es muy sensible a las variaciones de la superficie, lo que nos permite monitorear la misma ubicación con alta resolución espacial y temporal a gran escala”, dijo el estudiante graduado de la UH Guangxia Feng, quien realizó gran parte del trabajo experimental en el proyecto.

Los investigadores señalan que la mayoría de los investigadores de baterías actualmente usan microscopios crioelectrónicos, que solo toman una imagen en un momento determinado y no pueden rastrear continuamente los cambios en el mismo lugar.

"Quería abordar la investigación energética desde un ángulo diferente, adaptando y desarrollando nuevos métodos de caracterización e imagen que proporcionen nueva información para comprender el mecanismo de reacción en los procesos de conversión de energía", dijo Shan, que se especializa en el desarrollo de técnicas de imagen y técnicas de espectrometría para estudiar electroquímica. Reacciones en almacenamiento y conversión de energía. Esta nueva técnica de imagen también podría aplicarse a otros sistemas de almacenamiento de energía de última generación.

Feng, quien obtuvo un Ph.D. en ingeniería eléctrica de UH en 2022, planea seguir investigando en el creciente campo de la tecnología de baterías.

“Para realizar la próxima generación de baterías, es esencial comprender los mecanismos de reacción y los materiales novedosos”, dijo, y agregó que desarrollar baterías de mayor energía también beneficia al medio ambiente. “Siempre quise ser científico porque pueden hacer que sucedan grandes cosas para las personas y cambiar el mundo para mejor”.

Wu Xu del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, un experto en diseños de electrolitos, ayudó con el diseño del proyecto y brindó información crítica sobre el electrolito a usar. Kang Xu, un experto en la investigación SEI en el Laboratorio de Investigación del Ejército, brindó información importante para ayudar a comprender el fenómeno observado. Ambos son co-autores correspondientes del artículo.

Feng y otro estudiante de ingeniería de UH, Yaping Shi, junto con Hao Jia de PNNL, son los autores principales del estudio. Otros colaboradores son Xu Yan, Yanliang Liang, Chaojie Yang y Ye Zhang de UH; Mark Engelhard en PNNL.

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Universidad de Houston

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