Nieuwe microscoop ontwikkeld om betere krachtige batterijen te ontwerpen

Lithium-ionbatterijen hebben het dagelijks leven ingrijpend veranderd: bijna iedereen heeft een smartphone, er zijn meer elektrische voertuigen op de weg te zien en ze houden stroomgeneratoren aan de gang tijdens noodsituaties. Naarmate er meer draagbare elektronische apparaten, elektrische voertuigen en grootschalige netwerkimplementaties online komen, blijft de vraag naar batterijen met een hogere energiedichtheid die veilig en betaalbaar zijn, groeien.

Nu heeft een onderzoeksteam van de Universiteit van Houston, in samenwerking met onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory en het US Army Research Laboratory, een operando-reflectie-interferentiemicroscoop (RIM) ontwikkeld die een beter begrip geeft van hoe batterijen werken, wat aanzienlijke implicaties heeft voor de volgende generatie batterijen.

“We hebben voor het eerst real-time visualisatie van solid electrolyte interphase (SEI) dynamiek bereikt”, zegt Xiaonan Shan, assistent-professor elektrische en computertechniek aan het Cullen College of Engineering van UH en corresponderende auteur van een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie. “Dit geeft een belangrijk inzicht in het rationele ontwerp van interfasen, een batterijcomponent die de minst begrepen en meest uitdagende barrière is voor het ontwikkelen van elektrolyten voor toekomstige batterijen.”

Met de zeer gevoelige microscoop kunnen onderzoekers de SEI-laag bestuderen, een extreem dunne en kwetsbare laag op het oppervlak van de batterij-elektrode die de prestaties van de batterij bepaalt. De chemische samenstelling en morfologie veranderen voortdurend, waardoor het een uitdaging is om te bestuderen.

“Een dynamische, niet-invasieve en zeer gevoelige operando-beeldvormingstool is vereist om de vorming en evolutie van SEI te begrijpen. Een dergelijke techniek die in staat is om SEI direct te onderzoeken, is zeldzaam en zeer wenselijk geweest, ” zei Yan Yao, de Hugh Roy en Lillie Cranz Cullen Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering en een co-corresponderende auteur die de afgelopen vier jaar met Shan aan dit project heeft gewerkt.

“We hebben nu aangetoond dat RIM de eerste in zijn soort is die kritisch inzicht geeft in het werkingsmechanisme van de SEI-laag en helpt bij het ontwerpen van betere krachtige batterijen”, zegt Yao, die ook de hoofdonderzoeker is van het Texas Center for Superconductivity. bij UH.

Hoe het werkt

Het onderzoeksteam paste het principe van interferentie-reflectiemicroscopie toe in het project, waarbij de lichtbundel – gecentreerd op 600 nanometer met een spectrumbreedte van ongeveer 10 nanometer – naar de elektroden en SEI-lagen werd gericht en gereflecteerd. De verzamelde optische intensiteit bevat interferentiesignalen tussen verschillende lagen, die belangrijke informatie bevatten over het evolutieproces van SEI en waardoor de onderzoekers het hele reactieproces kunnen observeren.

“De RIM is erg gevoelig voor oppervlaktevariaties, waardoor we dezelfde locatie kunnen volgen met grootschalige hoge ruimtelijke en temporele resolutie”, zegt UH-afgestudeerde student Guangxia Feng, die veel van het experimentele werk aan het project heeft uitgevoerd.

De onderzoekers merken op dat de meeste batterijonderzoekers momenteel cryo-elektronenmicroscopen gebruiken, die slechts één foto tegelijk maken en de veranderingen op dezelfde locatie niet continu kunnen volgen.

“Ik wilde energieonderzoek vanuit een andere hoek benaderen door nieuwe karakteriserings- en beeldvormingsmethoden aan te passen en te ontwikkelen die nieuwe informatie verschaffen om het reactiemechanisme in energieconversieprocessen te begrijpen”, zegt Shan, die gespecialiseerd is in het ontwikkelen van beeldvormingstechnieken en spectrometrische technieken om elektrochemische reacties in energieopslag en conversies. Deze nieuwe beeldvormingstechniek zou ook kunnen worden toegepast op andere geavanceerde energieopslagsystemen.

Feng, die een Ph.D. in elektrotechniek van UH in 2022, is van plan verder onderzoek te doen op het groeiende gebied van batterijtechnologie.

“Om de volgende generatie batterijen te realiseren, is het essentieel om de reactiemechanismen en nieuwe materialen te begrijpen”, zei ze, eraan toevoegend dat de ontwikkeling van batterijen met een hogere energie ook het milieu ten goede komt. “Ik heb altijd al wetenschapper willen worden omdat ze geweldige dingen voor mensen kunnen laten gebeuren en de wereld ten goede kunnen veranderen.”