Nature子刊：利用反射干涉显微镜对固体电解质界面动态成像

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operando反射干涉显微镜(RIM)，可以更好地了解电池的工作原理，这对下一代显微镜具有重要意义。

　　

   

   

正如Xiaonan Shan教授观察到的那样，休斯顿大学毕业生Guangxia Feng在一个“手套箱”里工作，因为锂离子电池的电解液是易燃的。    

资料来源:休斯顿大学

锂离子电池已经改变了人们的日常生活——几乎每个人都有一部智能手机，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的上线，对安全和经济实惠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，开发了一种反射干涉显微镜(RIM，operando reflection interference)，可以更好地了解电池的工作原理。

“我们首次实现了固体电解质间相(SEI)动态的实时可视化，”哈佛大学卡伦工程学院电气与计算机工程助理教授Xiaonan Shan说，“这为界面相的合理设计提供了关键的见解，界面相是一种电池组件，是开发未来电池电解质的最不为人知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一层极其薄而脆弱的层，决定了电池的性能。它的化学成分和形态不断变化，这对研究来说是一个挑战。

“为了了解SEI的形成和发展，需要一种动态、无创和高灵敏度的操作成像工具。这样一种能够直接探测SEI的技术是罕见的，也是非常理想的，”电气和计算机工程杰出教授Yan Yao说。

“我们现在已经证明，RIM是同类公司中第一家提供对SEI层工作机制的关键洞察，并帮助设计更好的高性能电池的公司”。

它是如何工作的  

研究团队在该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)被定向到电极和SEI层并反射。收集到的光强度包含了不同层之间的干涉信号，携带了SEI演化过程的重要信息，使研究人员能够观察整个反应过程。

“RIM对地表变化非常敏感，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”。

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，这种显微镜在特定时间只能拍摄一张照片，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，从不同的角度来研究能量研究，这些方法为理解能量转换过程中的反应机制提供了新的信息，”Shan说，他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。这种新的成像技术也可以应用于其他最先进的储能系统。

Guangxia Feng于2022年获得了哈佛大学电气工程博士学位，计划在电池技术这一不断发展的领域进行进一步研究。

她说:“要实现下一代电池，必须了解反应机制和新材料。”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创造伟大的事情，让世界变得更美好。”

来自太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Lab)的Wu Xu是电解液设计方面的专家，他帮助完成了项目设计，并就电解液的使用提供了关键见解。SEI研究专家Kang Xu提供了重要的见解，帮助理解所观察到的现象。两人都是这篇论文的共同通讯作者。

文章标题

Imaging solid–electrolyte interphase dynamics using operando reflection interference microscopy