休斯顿大学开发新型显微镜 以设计更好的高性能电池

锂离子电池对日常生活具有重大影响，例如现在几乎每个人都拥有一部智能手机，且马路上的电动汽车越来越多。此外，锂离子电池还可在紧急情况下为发电机提供动力。随着便携式电子设备、电动汽车和大规模电网逐渐普及，市场对安全且价格合理的高能量密度电池的需求持续增长。

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据外媒报道，休斯顿大学（University of Houston，UH）研究团队与太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）和美国军事研究实验室（U.S. Army Research Laboratory）的研究人员合作，开发出原位反射干涉显微镜（RIM），可以更好地了解电池的工作原理，从而开发出性能更高的下一代电池。

图片来源：休斯顿大学

休斯敦大学工程学院（Cullen College of Engineering）的电气和计算机工程助理教授Xiaonan Shan表示：“我们首次实现了固体电解质界面（SEI）动力学的实时可视化，可为间相的合理设计提供了关键信息。间相是一种电池组件，是未来电池开发电解质的最大障碍。”

凭借该高灵敏度显微镜，研究人员能够研究SEI层，即电池电极表面上决定电池性能的极薄且脆弱的层。但SEI层的化学成分和形态总在不断变化，因此使得研究面临挑战。

研究人员Yan Yao、Hugh Roy与工程学院特聘教授Lillie Cranz表示：“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。”

运行过程

研究团队在该项目中应用了干涉反射显微镜的原理，其中以600纳米为中心、光谱宽度约为10纳米的光束被导向电极和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，因此研究人员能够观察到整个反应过程。

图片来源：休斯顿大学

在该项目中进行了大量实验工作的休斯顿大学研究生Guangxia Feng表示：“RIM对表面变化非常敏感，因此我们能够以大尺度高空间和时间分辨率监测同一位置。”

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。

专门开发成像技术和光谱技术以研究能量存储和转换中的电化学反应的Shan教授表示：“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，而这些表征和成像方法可提供新的信息，以理解能量转换过程中的反应机制。”这种新的成像技术也可以应用于其他最先进的储能系统。