Lithium-Ionen-Batterien haben den Alltag verändert – fast jeder hat ein Smartphone, mehr Elektrofahrzeuge sind auf den Straßen zu sehen und sie halten Stromgeneratoren im Notfall am Laufen. Da immer mehr tragbare elektronische Geräte, Elektrofahrzeuge und große Netzimplementierungen online gehen, wächst die Nachfrage nach sicheren und erschwinglichen Batterien mit höherer Energiedichte weiter.
Jetzt hat ein Forschungsteam der University of Houston in Zusammenarbeit mit Forschern des Pacific Northwest National Laboratory und des US Army Research Laboratory ein Operando-Reflexions-Interferenz-Mikroskop (RIM) entwickelt, das ein besseres Verständnis der Funktionsweise von Batterien liefert, was erhebliche Auswirkungen hat für die nächste Batteriegeneration.
„Wir haben zum ersten Mal eine Echtzeit-Visualisierung der Dynamik der Festelektrolyt-Interphase (SEI) erreicht“, sagte Xiaonan Shan, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik am Cullen College of Engineering der UH und korrespondierender Autor einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Natur Nanotechnologie. „Dies liefert wichtige Einblicke in das rationale Design von Zwischenphasen, einer Batteriekomponente, die das am wenigsten verstandene und größte Hindernis für die Entwicklung von Elektrolyten für zukünftige Batterien darstellt.“
Das hochempfindliche Mikroskop ermöglicht es den Forschern, die SEI-Schicht zu untersuchen, eine extrem dünne und zerbrechliche Schicht auf der Oberfläche der Batterieelektrode, die die Batterieleistung bestimmt. Seine chemische Zusammensetzung und Morphologie ändern sich ständig, was seine Untersuchung zu einer Herausforderung macht.
„Ein dynamisches, nicht-invasives und hochempfindliches Operando-Bildgebungswerkzeug ist erforderlich, um die Entstehung und Entwicklung von SEI zu verstehen. Eine solche Technik, die in der Lage ist, SEI direkt zu untersuchen, war selten und sehr wünschenswert“, sagten Yan Yao, Hugh Roy und Lillie Cranz Cullen Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering und Co-korrespondierender Autor, der in den letzten vier Jahren mit Shan an diesem Projekt gearbeitet hat.
„Wir haben jetzt gezeigt, dass RIM das erste seiner Art ist, das kritische Einblicke in den Funktionsmechanismus der SEI-Schicht liefert und beim Design besserer Hochleistungsbatterien hilft“, sagte Yao, der auch der leitende Forscher des Texas Center for Supraconductivity ist an der University of Houston.
Wie es funktioniert
Das Forschungsteam wendete in dem Projekt das Prinzip der Interferenzreflexionsmikroskopie an, bei der der Lichtstrahl – zentriert bei 600 Nanometern mit einer Spektralbreite von etwa 10 Nanometern – auf die Elektroden und SEI-Schichten gerichtet und reflektiert wurde. Die gesammelte optische Intensität enthält Interferenzsignale zwischen verschiedenen Schichten, die wichtige Informationen über den Entwicklungsprozess von SEI enthalten und es den Forschern ermöglichen, den gesamten Reaktionsprozess zu beobachten.
„Das RIM reagiert sehr empfindlich auf Oberflächenvariationen, was es uns ermöglicht, denselben Ort mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung im großen Maßstab zu überwachen“, sagte der UH-Doktorand Guangxia Feng, der einen Großteil der experimentellen Arbeit an dem Projekt durchführte.
Die Forscher stellen fest, dass die meisten Batterieforscher derzeit Kryo-Elektronenmikroskope verwenden, die nur eine Aufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt machen und die Veränderungen nicht kontinuierlich am selben Ort verfolgen können.
„Ich wollte die Energieforschung aus einem anderen Blickwinkel angehen, indem ich neue Charakterisierungs- und Bildgebungsmethoden anpasste und entwickelte, die neue Informationen zum Verständnis des Reaktionsmechanismus in Energieumwandlungsprozessen liefern“, sagte Shan, der sich auf die Entwicklung von Bildgebungstechniken und Spektrometrietechniken zur Untersuchung der Elektrochemie spezialisiert hat Reaktionen bei der Energiespeicherung und -umwandlung. Diese neue Bildgebungstechnik könnte auch auf andere hochmoderne Energiespeichersysteme angewendet werden.
Feng, der einen Ph.D. in Elektrotechnik von der UH im Jahr 2022, plant weitere Forschung auf dem wachsenden Gebiet der Batterietechnologie.
„Um die nächste Generation von Batterien zu realisieren, ist es wichtig, die Reaktionsmechanismen und neuartigen Materialien zu verstehen“, sagte sie und fügte hinzu, dass die Entwicklung von Batterien mit höherer Energie auch der Umwelt zugute komme. „Ich wollte schon immer Wissenschaftler werden, weil sie großartige Dinge für Menschen bewirken und die Welt zum Besseren verändern können.“
Wu Xu vom Pacific Northwest National Lab, ein Experte für Elektrolytdesigns, half beim Projektdesign und lieferte kritische Einblicke in den zu verwendenden Elektrolyten. Kang Xu, ein Experte für die SEI-Forschung am Army Research Lab, lieferte wichtige Einblicke, um das beobachtete Phänomen zu verstehen. Beide sind Co-Korrespondenzautoren für das Papier.
Feng und ein weiterer UH-Ingenieurstudent, Yaping Shi, sind zusammen mit Hao Jia von PNNL die Hauptautoren der Studie. Weitere Mitwirkende sind Xu Yan, Yanliang Liang, Chaojie Yang und Ye Zhang von UH; Mark Engelhard bei PNNL.