为设计更好的高性能电池而开发的新型显微镜：创新使研究人员能够深入了解电池的工作原理

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正如 Xiaonan Shan 教授所说，休斯敦大学毕业生 Guangxia Feng 在“手套箱”内研究原位反射干涉显微镜 (RIM)，因为锂离子电池电解液易燃。信贷休斯顿大学

正如 Xiaonan Shan 教授所说，休斯敦大学毕业生 Guangxia Feng 在“手套箱”内研究原位反射干涉显微镜 (RIM)，因为锂离子电池电解液易燃。信用
休斯顿大学

摘要：
锂离子电池改变了日常生活——几乎每个人都拥有智能手机，路上可以看到更多的电动汽车，它们还能在紧急情况下保持发电机运转。随着越来越多的便携式电子设备、电动汽车和大规模电网实施上线，对安全且价格合理的高能量密度电池的需求持续增长。

为设计更好的高性能电池而开发的新型显微镜：创新使研究人员能够深入了解电池的工作原理

德克萨斯州休斯顿 | 发表于 10 年 2023 月 XNUMX 日

现在，休斯顿大学的一个研究团队与太平洋西北国家实验室和美国陆军研究实验室的研究人员合作，开发了一种原位反射干涉显微镜 (RIM)，可以更好地了解电池的工作原理，这具有重要意义用于下一代电池。

“我们首次实现了固体电解质界面 (SEI) 动力学的实时可视化，”休斯敦大学卡伦工程学院电气与计算机工程助理教授、发表在《自然》杂志上的一项研究的通讯作者 Xiaonan Shan 说。纳米技术。 “这为间相的合理设计提供了关键见解，这是一种电池组件，它是为未来电池开发电解质的最不了解和最具挑战性的障碍。”

高灵敏度显微镜使研究人员能够研究 SEI 层，这是电池电极表面上决定电池性能的极薄且脆弱的层。它的化学成分和形态在不断变化——这给研究带来了挑战。

“了解 SEI 的形成和演化需要一种动态、非侵入性和高灵敏度的术中成像工具。这种能够直接探测 SEI 的技术很少见，而且非常可取，”Hugh Roy 和 Lillie Cranz Cullen 电气和计算机工程特聘教授兼共同通讯作者 Yan Yao 说，他曾与 Shan 在该项目上合作过过去四年。

“我们现在已经证明，RIM 是同类产品中第一个提供对 SEI 层工作机制的关键洞察并帮助设计更好的高性能电池的产品，”姚说，他也是德克萨斯超导中心的首席研究员在休斯顿大学。

产品思路

研究团队在该项目中应用了干涉反射显微镜的原理，其中以 600 纳米为中心、光谱宽度约为 10 纳米的光束被导向电极和 SEI 层并被反射。采集到的光强包含不同层间的干涉信号，携带着SEI演化过程的重要信息，让研究人员能够观察到整个反应过程。

“RIM 对表面变化非常敏感，这使我们能够以大尺度高空间和时间分辨率监测同一位置，”在该项目中进行了大量实验工作的 UH 研究生 Guangxia Feng 说。

研究人员指出，目前大多数电池研究人员使用的是冷冻电子显微镜，这种显微镜只能在特定时间拍摄一张照片，无法连续跟踪同一位置的变化。

“我想通过调整和开发新的表征和成像方法，从不同的角度进行能源研究，这些方法提供了新的信息来理解能量转换过程中的反应机制，”单说，他专门开发成像技术和光谱技术来研究电化学能量储存和转换中的反应。这种新的成像技术也可以应用于其他最先进的储能系统。

获得博士学位的冯。在 2022 年从 UH 获得电气工程博士学位，计划在不断发展的电池技术领域进行进一步研究。

“要实现下一代电池，了解反应机制和新型材料至关重要，”她说，并补充说开发更高能量的电池也有利于环境。 “我一直想成为一名科学家，因为他们可以让伟大的事情发生在人们身上，让世界变得更美好。”

来自太平洋西北国家实验室的 Wu Xu 是电解液设计专家，他帮助进行了项目设计，并对电解液的使用提供了重要的见解。陆军研究实验室 SEI 研究专家 Kang Xu 提供了重要的见解，以帮助理解所观察到的现象。两人均为该论文的共同通讯作者。

Feng 和另一位 UH 工程专业的学生 Yaping Shi 以及来自 PNNL 的 Hao Jia 是该研究的主要作者。其他贡献者是来自 UH 的 Xu Yan、Yanliang Liang、Chaojie Yang 和 Ye Zhang； PNNL 的 Mark Engelhard。