鋰離子電池改變了日常生活——幾乎每個人都擁有智能手機，路上可以看到更多的電動汽車，它們還能在緊急情況下保持發(fā)電機運轉(zhuǎn)。隨著越來越多的便攜式電子設備、電動汽車和大規(guī)模電網(wǎng)實施上線，對安全且價格合理的高能量密度電池的需求持續(xù)增長。
現(xiàn)在，休斯頓大學的一個研究團隊與太平洋西北國家實驗室和美國陸軍研究實驗室的研究人員合作，開發(fā)了一種原位反射干涉顯微鏡 (RIM)，可以更好地了解電池的工作原理，這具有重要意義用于下一代電池。
“我們首次實現(xiàn)了固體電解質(zhì)界面 (SEI) 動力學的實時可視化，”休斯敦大學卡倫工程學院電氣與計算機工程助理教授、發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究的通訊作者 Xiaonan Shan 說。納米技術。“這為間相的合理設計提供了關鍵見解，這是一種電池組件，它是為未來電池開發(fā)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，這是電池電極表面上決定電池性能的極薄且脆弱的層。它的化學成分和形態(tài)在不斷變化——這給研究帶來了挑戰(zhàn)。
“了解 SEI 的形成和演化需要一種動態(tài)、非侵入性和高靈敏度的原位成像工具。這種能夠直接探測 SEI 的技術很少見，而且非常可取，”Yan Yao、Hugh Roy 和 Lillie Cranz 說。 Cullen 電氣和計算機工程特聘教授和共同通訊作者，過去四年與 Shan 一起在這個項目上工作。
“我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，RIM 是同類產(chǎn)品中第一個提供對 SEI 層工作機制的重要見解并幫助設計更好的高性能電池的產(chǎn)品，”同時也是德克薩斯超導中心首席研究員的 Yao 說。在休斯頓大學。
研究人員表示，新技術平臺使他們可以在介觀尺度對電池的動態(tài)活動進行實時成像，要做到這一點很難但很重要。有了這一技術，他們有能力實時解析粒子化學成分和電流密度的變化情況，研究電池的充放電過程，并對單個電池粒子內(nèi)部電化學反應進行成像，這對更好地理解電池的充電機制和優(yōu)化電池性能很有幫助。
怎么運行的
研究團隊在該項目中應用了干涉反射顯微鏡的原理，光束——以 600 納米為中心，光譜寬度約為 10 納米——被導向電極和 SEI 層并被反射。采集到的光強包含不同層間的干涉信號，攜帶著SEI演化過程的重要信息，讓研究人員能夠觀察到整個反應過程。
“RIM 對表面變化非常敏感，這使我們能夠以大尺度高空間和時間分辨率監(jiān)測同一位置，”在該項目中進行了大量實驗工作的 UH 研究生 Guangxia Feng 說。
研究人員指出，目前大多數(shù)電池研究人員使用的是冷凍電子顯微鏡，這種顯微鏡只能在特定時間拍攝一張照片，無法連續(xù)跟蹤同一位置的變化。
“我想通過調(diào)整和開發(fā)新的表征和成像方法，從不同的角度進行能源研究，這些方法提供了新的信息來理解能量轉(zhuǎn)換過程中的反應機制，”單說，他專門開發(fā)成像技術和光譜技術來研究電化學能量儲存和轉(zhuǎn)換中的反應。這種新的成像技術也可以應用于其他最先進的儲能系統(tǒng)。
獲得博士學位的馮。在 2022 年從 UH 獲得電氣工程博士學位，計劃在不斷發(fā)展的電池技術領域進行進一步研究。
“要實現(xiàn)下一代電池，了解反應機制和新型材料至關重要，”她說，并補充說開發(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家，因為他們可以讓偉大的事情發(fā)生在人們身上，讓世界變得更美好。”鋰離子電池改變了日常生活——幾乎每個人都擁有智能手機，路上可以看到更多的電動汽車，它們還能在緊急情況下保持發(fā)電機運轉(zhuǎn)。隨著越來越多的便攜式電子設備、電動汽車和大規(guī)模電網(wǎng)實施上線，對安全且價格合理的高能量密度電池的需求持續(xù)增長。
現(xiàn)在，休斯頓大學的一個研究團隊與太平洋西北國家實驗室和美國陸軍研究實驗室的研究人員合作，開發(fā)了一種原位反射干涉顯微鏡 (RIM)，可以更好地了解電池的工作原理，這具有重要意義用于下一代電池。
“我們首次實現(xiàn)了固體電解質(zhì)界面 (SEI) 動力學的實時可視化，”休斯敦大學卡倫工程學院電氣與計算機工程助理教授、發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究的通訊作者 Xiaonan Shan 說。納米技術。“這為間相的合理設計提供了關鍵見解，這是一種電池組件，它是為未來電池開發(fā)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，這是電池電極表面上決定電池性能的極薄且脆弱的層。它的化學成分和形態(tài)在不斷變化——這給研究帶來了挑戰(zhàn)。
“了解 SEI 的形成和演化需要一種動態(tài)、非侵入性和高靈敏度的原位成像工具。這種能夠直接探測 SEI 的技術很少見，而且非常可取，”Yan Yao、Hugh Roy 和 Lillie Cranz 說。 Cullen 電氣和計算機工程特聘教授和共同通訊作者，過去四年與 Shan 一起在這個項目上工作。
“我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，RIM 是同類產(chǎn)品中第一個提供對 SEI 層工作機制的重要見解并幫助設計更好的高性能電池的產(chǎn)品，”同時也是德克薩斯超導中心首席研究員的 Yao 說。在休斯頓大學。
研究人員表示，新技術平臺使他們可以在介觀尺度對電池的動態(tài)活動進行實時成像，要做到這一點很難但很重要。有了這一技術，他們有能力實時解析粒子化學成分和電流密度的變化情況，研究電池的充放電過程，并對單個電池粒子內(nèi)部電化學反應進行成像，這對更好地理解電池的充電機制和優(yōu)化電池性能很有幫助。
怎么運行的
研究團隊在該項目中應用了干涉反射顯微鏡的原理，光束——以 600 納米為中心，光譜寬度約為 10 納米——被導向電極和 SEI 層并被反射。采集到的光強包含不同層間的干涉信號，攜帶著SEI演化過程的重要信息，讓研究人員能夠觀察到整個反應過程。
“RIM 對表面變化非常敏感，這使我們能夠以大尺度高空間和時間分辨率監(jiān)測同一位置，”在該項目中進行了大量實驗工作的 UH 研究生 Guangxia Feng 說。
研究人員指出，目前大多數(shù)電池研究人員使用的是冷凍電子顯微鏡，這種顯微鏡只能在特定時間拍攝一張照片，無法連續(xù)跟蹤同一位置的變化。
“我想通過調(diào)整和開發(fā)新的表征和成像方法，從不同的角度進行能源研究，這些方法提供了新的信息來理解能量轉(zhuǎn)換過程中的反應機制，”單說，他專門開發(fā)成像技術和光譜技術來研究電化學能量儲存和轉(zhuǎn)換中的反應。這種新的成像技術也可以應用于其他最先進的儲能系統(tǒng)。
獲得博士學位的馮。在 2022 年從 UH 獲得電氣工程博士學位，計劃在不斷發(fā)展的電池技術領域進行進一步研究。
“要實現(xiàn)下一代電池，了解反應機制和新型材料至關重要，”她說，并補充說開發(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家，因為他們可以讓偉大的事情發(fā)生在人們身上，讓世界變得更美好。”
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