Nouveau microscope développé pour concevoir de meilleures batteries hautes performances : l'innovation donne aux chercheurs une vue d'ensemble du fonctionnement des batteries

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Comme l'observe le professeur Xiaonan Shan, Guangxia Feng, diplômée de l'Université de Houston, travaille sur le microscope interférentiel à réflexion d'opérande (RIM) à l'intérieur d'une "boîte à gants" car l'électrolyte de la batterie lithium-ion est inflammable. CRÉDIT Université de Houston

Résumé:
Les batteries lithium-ion ont transformé la vie quotidienne - presque tout le monde a un smartphone, plus de véhicules électriques peuvent être repérés sur les routes et ils maintiennent les générateurs d'électricité en marche en cas d'urgence. Alors que de plus en plus d'appareils électroniques portables, de véhicules électriques et d'implémentations de réseaux à grande échelle sont mis en ligne, la demande de batteries à plus haute densité d'énergie, sûres et abordables, continue de croître.

Nouveau microscope développé pour concevoir de meilleures batteries hautes performances : l'innovation donne aux chercheurs une vue d'ensemble du fonctionnement des batteries

Houston, Texas | Publié le 10 février 2023

Maintenant, une équipe de recherche de l'Université de Houston, en collaboration avec des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory et du US Army Research Laboratory, a développé un microscope interférentiel à réflexion d'opérande (RIM) qui permet de mieux comprendre le fonctionnement des batteries, ce qui a des implications importantes. pour la prochaine génération de batteries.

"Nous avons réalisé pour la première fois une visualisation en temps réel de la dynamique de l'interphase de l'électrolyte solide (SEI)", a déclaré Xiaonan Shan, professeur adjoint de génie électrique et informatique au Cullen College of Engineering de l'UH et auteur correspondant d'une étude publiée dans la revue Nature. Nanotechnologie. "Cela fournit des informations clés sur la conception rationnelle des interphases, un composant de batterie qui a été l'obstacle le moins compris et le plus difficile au développement d'électrolytes pour les futures batteries."

Le microscope très sensible permet aux chercheurs d'étudier la couche SEI, qui est une couche extrêmement fine et fragile sur la surface de l'électrode de la batterie qui détermine les performances de la batterie. Sa composition chimique et sa morphologie changent continuellement, ce qui en fait un défi à étudier.

« Un outil d'imagerie dynamique, non invasif et à haute sensibilité est nécessaire pour comprendre la formation et l'évolution des SEI. Une telle technique capable de sonder directement SEI a été rare et hautement souhaitable », a déclaré Yan Yao, professeur émérite Hugh Roy et Lillie Cranz Cullen de génie électrique et informatique et auteur co-correspondant qui a travaillé avec Shan sur ce projet pour le quatre dernières années.

"Nous avons maintenant démontré que RIM est le premier du genre à fournir un aperçu critique du mécanisme de fonctionnement de la couche SEI et à aider à concevoir de meilleures batteries hautes performances", a déclaré Yao, qui est également le chercheur principal du Texas Center for Superconductivity. à l'Université de Houston.

Comment ça marche

L'équipe de recherche a appliqué le principe de la microscopie par réflexion interférentielle dans le projet, où le faisceau lumineux - centré à 600 nanomètres avec une largeur de spectre d'environ 10 nanomètres - était dirigé vers les électrodes et les couches SEI et réfléchi. L'intensité optique collectée contient des signaux d'interférence entre différentes couches, transportant des informations importantes sur le processus d'évolution du SEI et permettant aux chercheurs d'observer l'ensemble du processus de réaction.

"Le RIM est très sensible aux variations de surface, ce qui nous permet de surveiller le même emplacement avec une résolution spatiale et temporelle élevée à grande échelle", a déclaré Guangxia Feng, étudiante diplômée de l'UH, qui a effectué une grande partie du travail expérimental sur le projet.

Les chercheurs notent que la plupart des chercheurs sur les batteries utilisent actuellement des microscopes cryo-électroniques, qui ne prennent qu'une seule image à un certain moment et ne peuvent pas suivre en continu les changements au même endroit.

"Je voulais aborder la recherche énergétique sous un angle différent en adaptant et en développant de nouvelles méthodes de caractérisation et d'imagerie qui fournissent de nouvelles informations pour comprendre le mécanisme de réaction dans les processus de conversion d'énergie", a déclaré Shan, qui se spécialise dans le développement de techniques d'imagerie et de techniques de spectrométrie pour étudier l'électrochimie. réactions de stockage et de conversion de l'énergie. Cette nouvelle technique d'imagerie pourrait également être appliquée à d'autres systèmes de stockage d'énergie de pointe.

Feng, qui a obtenu un doctorat. en génie électrique de l'UH en 2022, prévoit de poursuivre ses recherches dans le domaine en pleine croissance de la technologie des batteries.

"Pour réaliser la prochaine génération de batteries, il est essentiel de comprendre les mécanismes de réaction et les nouveaux matériaux", a-t-elle déclaré, ajoutant que le développement de batteries à plus haute énergie profite également à l'environnement. "J'ai toujours voulu être scientifique parce qu'ils peuvent faire bouger les choses pour les gens et changer le monde pour le mieux."

Wu Xu du Pacific Northwest National Lab, un expert dans la conception d'électrolytes, a aidé à la conception du projet et a fourni des informations essentielles sur l'électrolyte à utiliser. Kang Xu, un expert de la recherche SEI au laboratoire de recherche de l'armée, a fourni des informations importantes pour aider à comprendre le phénomène observé. Les deux sont co-auteurs correspondants pour l'article.

Feng et un autre étudiant en ingénierie de l'UH, Yaping Shi, ainsi que Hao Jia du PNNL, sont les principaux auteurs de l'étude. Les autres contributeurs sont Xu Yan, Yanliang Liang, Chaojie Yang et Ye Zhang de UH ; Mark Engelhard au PNNL.

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Contacts :
Rashda Khan
Université de Houston

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