为设计更好的高性能电池而开发的新型显微镜

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。

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原位成像工具。这种能够直接探测 SEI 的技术很少见，而且非常可取，”Yan Yao、Hugh Roy 和 Lillie Cranz 说。 Cullen 电气和计算机工程特聘教授和共同通讯作者，过去四年与 Shan 一起在这个项目上工作。

“我们现在已经证明，RIM 是同类产品中第一个提供对 SEI 层工作机制的重要见解并帮助设计更好的高性能电池的产品，”同时也是德克萨斯超导中心首席研究员的 Yao 说。在休斯顿大学。

研究人员表示，新技术平台使他们可以在介观尺度对电池的动态活动进行实时成像，要做到这一点很难但很重要。有了这一技术，他们有能力实时解析粒子化学成分和电流密度的变化情况，研究电池的充放电过程，并对单个电池粒子内部电化学反应进行成像，这对更好地理解电池的充电机制和优化电池性能很有帮助。

怎么运行的

研究团队在该项目中应用了干涉反射显微镜的原理，光束——以 600 纳米为中心，光谱宽度约为 10 纳米——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。”