Nuovo microscopio sviluppato per progettare migliori batterie ad alte prestazioni: l'innovazione offre ai ricercatori una visione interna del funzionamento delle batterie

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Come osserva il professor Xiaonan Shan, il laureato dell'Università di Houston, Guangxia Feng, lavora al microscopio a interferenza di riflessione operando (RIM) all'interno di un "glove box" perché l'elettrolita della batteria agli ioni di litio è infiammabile. CREDITO
University of Houston

Abstract:
Le batterie agli ioni di litio hanno trasformato la vita di tutti i giorni: quasi tutti hanno uno smartphone, più veicoli elettrici possono essere individuati sulle strade e mantengono in funzione i generatori di corrente durante le emergenze. Man mano che sempre più dispositivi elettronici portatili, veicoli elettrici e implementazioni di rete su larga scala diventano online, la domanda di batterie a densità energetica più elevata, sicure e convenienti continua a crescere.

Nuovo microscopio sviluppato per progettare migliori batterie ad alte prestazioni: l'innovazione offre ai ricercatori una visione approfondita di come funzionano le batterie

Houston, Texas | Pubblicato il 10 febbraio 2023

Ora, un gruppo di ricerca dell'Università di Houston, in collaborazione con ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory e del US Army Research Laboratory, ha sviluppato un microscopio a interferenza di riflessione operando (RIM) che fornisce una migliore comprensione di come funzionano le batterie, il che ha implicazioni significative per la prossima generazione di batterie.

"Abbiamo ottenuto per la prima volta la visualizzazione in tempo reale delle dinamiche dell'interfase elettrolitica solida (SEI)", ha affermato Xiaonan Shan, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso il Cullen College of Engineering della UH e corrispondente autore di uno studio pubblicato sulla rivista Nature Nanotecnologia. “Ciò fornisce informazioni chiave sulla progettazione razionale delle interfasi, un componente della batteria che è stata la barriera meno compresa e più impegnativa per lo sviluppo di elettroliti per batterie future”.

Il microscopio altamente sensibile consente ai ricercatori di studiare lo strato SEI, che è uno strato estremamente sottile e fragile sulla superficie dell'elettrodo della batteria che determina le prestazioni della batteria. La sua composizione chimica e morfologia cambiano continuamente, rendendolo una sfida da studiare.

“Per comprendere la formazione e l'evoluzione della SEI è necessario uno strumento di imaging operando dinamico, non invasivo e ad alta sensibilità. Una tale tecnica in grado di sondare direttamente il SEI è stata rara e altamente desiderabile ", ha affermato Yan Yao, professore distinto di ingegneria elettrica e informatica di Hugh Roy e Lillie Cranz Cullen e autore corrispondente che ha lavorato con Shan a questo progetto per il ultimi quattro anni.

"Ora abbiamo dimostrato che RIM è il primo nel suo genere a fornire informazioni critiche sul meccanismo di funzionamento dello strato SEI e aiutare a progettare migliori batterie ad alte prestazioni", ha affermato Yao, che è anche il principale investigatore del Texas Center for Superconductivity all'Università di Houston.

Come funziona

Il team di ricerca ha applicato il principio della microscopia a riflessione di interferenza nel progetto, in cui il raggio di luce - centrato a 600 nanometri con un'ampiezza dello spettro di circa 10 nanometri - è stato diretto verso gli elettrodi e gli strati SEI e riflesso. L'intensità ottica raccolta contiene segnali di interferenza tra diversi strati, portando informazioni importanti sul processo di evoluzione del SEI e consentendo ai ricercatori di osservare l'intero processo di reazione.

"Il RIM è molto sensibile alle variazioni della superficie, il che ci consente di monitorare la stessa posizione con un'elevata risoluzione spaziale e temporale su larga scala", ha affermato lo studente laureato della UH Guangxia Feng, che ha svolto gran parte del lavoro sperimentale sul progetto.

I ricercatori osservano che la maggior parte dei ricercatori sulle batterie attualmente utilizza microscopi crioelettronici, che scattano solo una foto in un determinato momento e non possono monitorare continuamente i cambiamenti nella stessa posizione.

"Volevo avvicinarmi alla ricerca energetica da una prospettiva diversa, adattando e sviluppando nuovi metodi di caratterizzazione e imaging che fornissero nuove informazioni per comprendere il meccanismo di reazione nei processi di conversione dell'energia", ha affermato Shan, specializzato nello sviluppo di tecniche di imaging e tecniche di spettrometria per studiare l'elettrochimica reazioni nell'immagazzinamento dell'energia e nelle conversioni. Questa nuova tecnica di imaging potrebbe essere applicata anche ad altri sistemi di accumulo di energia all'avanguardia.

Feng, che ha conseguito un dottorato di ricerca. in ingegneria elettrica da UH nel 2022, prevede di proseguire la ricerca nel campo in crescita della tecnologia delle batterie.

"Per realizzare la prossima generazione di batterie, è essenziale comprendere i meccanismi di reazione e i nuovi materiali", ha affermato, aggiungendo che lo sviluppo di batterie ad alta energia va anche a vantaggio dell'ambiente. "Ho sempre voluto essere uno scienziato perché possono far accadere grandi cose per le persone e cambiare il mondo in meglio".

Wu Xu del Pacific Northwest National Lab, un esperto nella progettazione di elettroliti, ha contribuito alla progettazione del progetto e ha fornito informazioni critiche sull'elettrolita da utilizzare. Kang Xu, un esperto nella ricerca SEI presso l'Army Research Lab, ha fornito spunti significativi per aiutare a comprendere il fenomeno osservato. Entrambi sono autori corrispondenti per l'articolo.

Feng e un altro studente di ingegneria della UH Yaping Shi, insieme a Hao Jia del PNNL, sono gli autori principali dello studio. Altri collaboratori sono Xu Yan, Yanliang Liang, Chaojie Yang e Ye Zhang di UH; Mark Engelhard al PNNL.

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Contatti:
Rashda Khan
University of Houston

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