锂离子电池改变了日常生活——几乎每个人都有智能手机，道路上可以看到更多的电动汽车，它们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更高能量密度电池的需求持续增长。

开发新型显微镜以设计更好的高性能电池

现在，休斯顿大学的一个研究小组与太平洋西北国家实验室和陆军研究实验室的研究人员合作，开发了一种操作反射干涉显微镜(RIM)，可以更好地了解电池的工作原理，这对下一代电池具有重大意义。

“我们首次实现了固体电解质界面(SEI)动力学的实时可视化，”UH卡伦工程学院电气和计算机工程助理教授，发表在《自然纳米技术》杂志上的一项研究的通讯作者Xiaonan Shan说。“这为相间的合理设计提供了关键的见解，这种电池组件是开发未来电池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，SEI层是电池电极表面上极薄且脆弱的层，决定了电池性能。它的化学成分和形态不断变化，这使得研究成为一个挑战。

“需要一种动态，非侵入性和高灵敏度的操作成像工具来了解SEI的形成和演变。这种能够直接探测SEI的技术是罕见的，非常可取的，“Hugh Roy和Lillie Cranz Cullen电气和计算机工程杰出教授Yan Yao说，他是过去四年与Shan合作该项目的共同通讯作者。

“我们现在已经证明RIM是第一个为SEI层的工作机制提供关键见解并帮助设计更好的高性能电池，”Yao说，他也是休斯顿大学德克萨斯超导中心的首席研究员。

工作原理

研究小组在项目中应用了干涉反射显微镜的原理，其中光束 - 以600纳米为中心，光谱宽度约为10纳米 - 被指向电极和SEI层并反射。收集的光强度包含不同层之间的干涉信号，携带有关SEI演变过程的重要信息，并使研究人员能够观察整个反应过程。

“RIM对表面变化非常敏感，这使我们能够以大规模的高空间和时间分辨率监测同一位置，”UH研究生光霞冯说，他在该项目上进行了大部分实验工作。

研究人员指出，大多数电池研究人员目前使用冷冻电子显微镜，在特定时间只拍摄一张照片，并且无法连续跟踪同一位置的变化。

“我想通过适应和开发新的表征和成像方法，从不同的角度进行能源研究，这些方法为了解能量转换过程中的反应机理提供了新的信息，”Shan说，他专门开发成像技术和光谱技术来研究能量存储和转换中的电化学反应。这种新的成像技术也可以应用于其他最先进的储能系统。

Feng于2022年获得UH电气工程博士学位，他计划在不断发展的电池技术领域进行进一步研究。

“为了实现下一代电池，必须了解反应机制和新材料，”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，因为他们可以为人们带来伟大的事情，让世界变得更好。

来自太平洋西北国家实验室的Wu Xu是电解质设计方面的专家，他帮助设计了项目，并提供了有关使用电解质的重要见解。陆军研究实验室SEI研究专家康旭提供了重要的见解，以帮助理解观察到的现象。两人都是该论文的共同通讯作者。

Feng和另一位UH工程专业学生Yaping Shi以及PNNL的Hao Jia是该研究的主要作者。其他贡献者是来自UH的徐燕，梁艳良，杨超杰和张叶;马克·恩格尔哈德在PNNL。