Le chargement des batteries électriques-véhicules dans l'hiver glacial d'Ithaca peut être difficile, et les températures de congélation diminuent également le practice. Le temps chaud peut être tout aussi difficile, conduisant à la décomposition des matériaux de la batterie et, peut-être, à une défaillance catastrophique.
Pour que les véhicules électriques (EV) soient largement acceptés, les batteries au lithium-ion sûres et à charge rapide doivent être en mesure de fonctionner à des températures extrêmes. Mais pour y parvenir, les scientifiques doivent comprendre comment les matériaux utilisés dans les véhicules électriques changent pendant les réactions chimiques liées à la température, un objectif insaisissable de Far.
Maintenant, Cornell Chemists dirigé par Yao Yang, Ph.D. '21, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique au Collège des arts et des sciences, ont développé un moyen de diagnostiquer les mécanismes derrière la défaillance de la batterie dans des climats extrêmes en utilisant la microscopie électronique. Leur premier de l'opérando (« fonctionnement ») de la microscopie électronique à transmission électrochimique (TEM) leur permet de regarder la chimie en action et de collecter des films en temps réel montrant ce qui arrive aux matériaux énergétiques pendant les changements de température.
Le travail a été réalisé en étroite collaboration avec Erik Tiede, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique (A&S). Le groupe de Thiede a développé de nouveaux algorithmes d'analyse de données pour analyser les films générés par le TEM. Leur article, « Operando chauffage et refroidissement électrochimique 4D-STEM Probing Dynamics Nanoscal Journal de l'American Chemical Society.
« Nous avons maintenant l'occasion d'étudier le fonctionnement de la batterie jusqu'à moins de 50 degrés Celsius (moins 58 degrés Fahrenheit), comme dans les climats arctiques extrêmement froids, et l'activation et la dégradation du catalyseur jusqu'à 300 degrés Celsius (572 degrés Fahrenheit) comme dans de nombreux catalyseurs industriels et tous les converts catalytiques », a déclaré Yang.
Les chercheurs ont utilisé un circuit électrochimique à trois électrodes et un circuit de chauffage et de refroidissement à deux électrodes pour atteindre une électrochimie quantitative avec accès à cette plage de température complète.
Le groupe de Yang travaille sur le développement des instruments TEM depuis trois ans, en collaboration avec le partenaire de l'industrie Protochips Inc. en Caroline du Nord. Son travail fait progresser le développement de méthodes électrochimiques pour étudier les matériaux énergétiques pour alimenter des batteries au lithium plus sûres et plus rapides, ainsi que pour diviser l'eau pour la production d'hydrogène vert.
« Nous avons également conçu des nanocatalyseurs pour la réduction des émissions de carbone à des carburants liquides durables, des efforts qui aident à résoudre le problème mondial du changement climatique », a déclaré Yang. Ce projet est co-dirigé par les co-auteurs Sungin Kim, un boursier coréen des sciences de Sejong, et Valentin Briega-Martos, tous deux chercheurs postdoctoraux en chimie.
Les recherches de Thiede se sont initialement concentrées sur le développement de nouveaux algorithmes d'apprentissage en machine et d'artificies artificiels pour analyser des images de microscopie électronique cryogénique des structures protéiques.
« Ensuite, j'ai réalisé que les algorithmes de notre groupe sont également incroyablement utiles dans l'analyse automatisée des images microscopiques et des films des gigaoctets à terroctets du groupe Yang », a déclaré Thiede.
« Les données que le groupe Yang recueille est le rêve de chaque scientifique informatique. Il nous permet de voir de nouveaux phénomènes scientifiques mais est suffisamment compliqué pour que l'analyse nécessite de nouveaux algorithmes, ce qui nous fait ressentir la puissance de l'approche conjointe de la théorie d'expérience. »
Les autres co-auteurs incluent Kwanghwi JE, un camarade de Cornell Schmidt AI qui dirige les efforts de l'IA et de l'apprentissage en machine du groupe de Thiede pour les matériaux énergétiques; Yafet Negash '27; Rechercheurs postdoctoraux de chimie Shikai Liu et Juhyung Choi; Ph.D. de la chimie de première année. Étudiants Zhijing (Zora) Zhang, Rafael Guzman-Soriano, Wenqi Li et Jiahong Jiang; et Yimo Han, Ph.D. '17, professeur adjoint à l'Université Rice.
