鋰離子電池改變了日常生活——幾乎每個(gè)人都有智能手機(jī)，道路上可以看到更多的電動汽車，它們在緊急情況下保持發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著越來越多的便攜式電子設(shè)備、電動汽車和大規(guī)模電網(wǎng)實(shí)施上線，對安全且價(jià)格合理的更高能量密度電池的需求持續(xù)增長。

現(xiàn)在，休斯頓大學(xué)的一個(gè)研究小組與太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，開發(fā)了一種操作反射干涉顯微鏡(RIM)，可以更好地了解電池的工作原理，這對下一代電池具有重大意義。

“我們首次實(shí)現(xiàn)了固體電解質(zhì)界面(SEI)動力學(xué)的實(shí)時(shí)可視化，”UH卡倫工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授，發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志上的一項(xiàng)研究的通訊作者Xiaonan Shan說。“這為相間的合理設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的見解，這種電池組件是開發(fā)未來電池電解質(zhì)的最不了解和最具挑戰(zhàn)性的障礙。

高靈敏度顯微鏡使研究人員能夠研究SEI層，SEI層是電池電極表面上極薄且脆弱的層，決定了電池性能。它的化學(xué)成分和形態(tài)不斷變化，這使得研究成為一個(gè)挑戰(zhàn)。

“需要一種動態(tài)，非侵入性和高靈敏度的操作成像工具來了解SEI的形成和演變。這種能夠直接探測SEI的技術(shù)是罕見的，非常可取的，“Hugh Roy和Lillie Cranz Cullen電氣和計(jì)算機(jī)工程杰出教授Yan Yao說，他是過去四年與Shan合作該項(xiàng)目的共同通訊作者。

“我們現(xiàn)在已經(jīng)證明RIM是第一個(gè)為SEI層的工作機(jī)制提供關(guān)鍵見解并幫助設(shè)計(jì)更好的高性能電池，”Yao說，他也是UH德克薩斯超導(dǎo)中心的首席研究員。

工作原理

研究小組在項(xiàng)目中應(yīng)用了干涉反射顯微鏡的原理，其中光束 - 以600納米為中心，光譜寬度約為10納米 - 被指向電極和SEI層并反射。收集的光強(qiáng)度包含不同層之間的干涉信號，攜帶有關(guān)SEI演變過程的重要信息，并使研究人員能夠觀察整個(gè)反應(yīng)過程。

“RIM對表面變化非常敏感，這使我們能夠以大規(guī)模的高空間和時(shí)間分辨率監(jiān)測同一位置，”UH研究生光霞馮說，他在該項(xiàng)目上進(jìn)行了大部分實(shí)驗(yàn)工作。

研究人員指出，大多數(shù)電池研究人員目前使用冷凍電子顯微鏡，在特定時(shí)間只拍攝一張照片，并且無法連續(xù)跟蹤同一位置的變化。

“我想通過適應(yīng)和開發(fā)新的表征和成像方法，從不同的角度進(jìn)行能源研究，這些方法為了解能量轉(zhuǎn)換過程中的反應(yīng)機(jī)理提供了新的信息，”Shan說，他專門開發(fā)成像技術(shù)和光譜技術(shù)來研究能量存儲和轉(zhuǎn)換中的電化學(xué)反應(yīng)。這種新的成像技術(shù)也可以應(yīng)用于其他最先進(jìn)的儲能系統(tǒng)。

Feng于2022年獲得UH電氣工程博士學(xué)位，他計(jì)劃在不斷發(fā)展的電池技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步研究。

“為了實(shí)現(xiàn)下一代電池，必須了解反應(yīng)機(jī)制和新材料，”她說，并補(bǔ)充說開發(fā)更高能量的電池也有利于環(huán)境。“我一直想成為一名科學(xué)家，因?yàn)樗麄兛梢詾槿藗儙韨ゴ蟮氖虑?，讓世界變得更好?/p>

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