Nytt mikroskop utvecklat för att designa bättre högpresterande batterier: Innovation ger forskare en inblick i hur batterier fungerar

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Hem > Presse > Nytt mikroskop utvecklat för att designa bättre högpresterande batterier: Innovation ger forskare inblick i hur batterier fungerar

Som professor Xiaonan Shan observerar arbetar Guangxia Feng, examen från University of Houston, på operandoreflektionsinterferensmikroskopet (RIM) inuti ett "handskfack" eftersom litiumjonbatteriets elektrolyt är brandfarlig. KREDITERA
University of Houston

Sammanfattning:
Litiumjonbatterier har förändrat vardagen – nästan alla har en smartphone, fler elfordon kan upptäckas på vägarna och de håller kraftgeneratorerna igång under nödsituationer. När fler bärbara elektroniska enheter, elfordon och storskaliga nätimplementeringar kommer online, fortsätter efterfrågan på batterier med högre energidensitet som är säkra och prisvärda att växa.

Nytt mikroskop utvecklat för att designa bättre högpresterande batterier: Innovation ger forskare inblick i hur batterier fungerar

Houston, TX | Postat den 10 februari 2023

Nu har en forskargrupp från University of Houston, i samarbete med forskare från Pacific Northwest National Laboratory och US Army Research Laboratory, utvecklat ett operandoreflektionsinterferensmikroskop (RIM) som ger en bättre förståelse för hur batterier fungerar, vilket har betydande implikationer för nästa generations batterier.

"Vi har uppnått realtidsvisualisering av solid electrolyte interphase (SEI) dynamik för första gången", säger Xiaonan Shan, biträdande professor i el- och datorteknik vid UH:s Cullen College of Engineering och motsvarande författare till en studie publicerad i tidskriften Nature Nanoteknik. "Detta ger nyckelinsikter i den rationella designen av interfaser, en batterikomponent som har varit den minst förstådda och mest utmanande barriären för att utveckla elektrolyter för framtida batterier."

Det mycket känsliga mikroskopet gör att forskare kan studera SEI-skiktet, som är ett extremt tunt och ömtåligt skikt på batteriets elektrodyta som bestämmer batteriets prestanda. Dess kemiska sammansättning och morfologi förändras kontinuerligt - vilket gör det till en utmaning att studera.

"Ett dynamiskt, icke-invasivt och högkänsligt operando-avbildningsverktyg krävs för att förstå bildandet och utvecklingen av SEI. En sådan teknik som är kapabel att direkt sondera SEI har varit sällsynt och mycket önskvärd, säger Yan Yao, Hugh Roy och Lillie Cranz Cullens framstående professor i elektro- och datorteknik och en motsvarande författare som har arbetat med Shan i detta projekt för senaste fyra åren.

"Vi har nu visat att RIM är den första i sitt slag som ger kritisk insikt i SEI-lagrets arbetsmekanism och hjälper till att designa bättre högpresterande batterier", säger Yao, som också är huvudutredare för Texas Center for Superconductivity vid University of Houston.

Hur det fungerar

Forskargruppen tillämpade principen om interferensreflektionsmikroskopi i projektet, där ljusstrålen – centrerad på 600 nanometer med spektrumbredd på cirka 10 nanometer – riktades mot elektroderna och SEI-skikten och reflekterades. Den insamlade optiska intensiteten innehåller interferenssignaler mellan olika skikt, bär viktig information om utvecklingsprocessen för SEI och gör det möjligt för forskarna att observera hela reaktionsprocessen.

"RIM är mycket känslig för ytvariationer, vilket gör det möjligt för oss att övervaka samma plats med storskalig hög rumslig och tidsmässig upplösning", säger UH-studenten Guangxia Feng, som utförde mycket av det experimentella arbetet med projektet.

Forskarna noterar att de flesta batteriforskare för närvarande använder kryo-elektronmikroskop, som bara tar en bild vid en viss tidpunkt och inte kontinuerligt kan spåra förändringarna på samma plats.

"Jag ville närma mig energiforskning från en annan vinkel genom att anpassa och utveckla nya karaktäriserings- och avbildningsmetoder som ger ny information för att förstå reaktionsmekanismen i energiomvandlingsprocesser", säger Shan, som är specialiserad på att utveckla avbildningstekniker och spektrometritekniker för att studera elektrokemiska reaktioner vid energilagring och omvandlingar. Denna nya avbildningsteknik skulle också kunna tillämpas på andra toppmoderna energilagringssystem.

Feng, som tog en doktorsexamen. i elektroteknik från UH 2022, planerar att bedriva ytterligare forskning inom det växande området för batteriteknik.

"För att förverkliga nästa generations batterier är det viktigt att förstå reaktionsmekanismerna och de nya materialen," sa hon och tillade att utveckling av batterier med högre energi också gynnar miljön. "Jag har alltid velat bli en vetenskapsman eftersom de kan få fantastiska saker att hända för människor och förändra världen till det bättre."

Wu Xu från Pacific Northwest National Lab, expert på elektrolytdesign, hjälpte till med projektdesignen och gav kritisk insikt om elektrolyten att använda. Kang Xu, en expert på SEI-forskningen vid Army Research Lab, gav betydande insikter för att hjälpa till att förstå fenomenet som observerats. Båda är medförfattare till tidningen.

Feng och en annan UH-ingenjörsstudent Yaping Shi, tillsammans med Hao Jia från PNNL, är huvudförfattarna till studien. Andra bidragsgivare är Xu Yan, Yanliang Liang, Chaojie Yang och Ye Zhang från UH; Mark Engelhard på PNNL.

####

För mer information, klicka på här.

Kontaktpersoner:
Rashda Khan
University of Houston

Om du har en kommentar, snälla Kontakta oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke: