电子显微镜在电池研究中的作用

Shirley Meng博士是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的教授和主席。她是储能与转换实验室（LESC）的首席研究员，也是加州大学可持续发展动力与能源中心（SPEC）的创始主任，该中心的教员研究用于能量捕获、转换和利用的材料和设备。孟博士是M&M 2020年显微镜女性早餐会的特邀演讲者，她在早餐会上讲述了她的职业生涯以及女性在科学中的持续重要性。本次访谈经过编辑，篇幅较长，内容清晰。亚博网站下载亚博老虎机网登录

你什么时候开始使用电子显微镜的？

我其实是一名训练有素的显微镜专家。我的本科和研究生学位都是材料科学和工程专业，我从本科开始就操作电子显微镜和使用电子显微镜。亚博网站下载亚博老虎机网登录
我还记得第一次看到一排排原子出现在探测器上。那是一种难以形容的激动人心的感觉。它们不只是课本上的球的图画，我实际上在我面前的屏幕上看到了原子。你本质上是把不可见的东西变成可见的，没有其他工具能让你做到这一点，只有顶级的显微镜能让你看到这样的原子柱。

告诉我们一些关于可持续电力和能源中心．

该中心由一组研究材料和设备的教师组成，这些材料和设备可以捕获和存储能量，将其从一种形式转换为另一种形式，并利用它。亚博网站下载广义地说，我们称之为分布式能源生产和存储以及综合电源管理。

你的研究小组具体是什么?

我领导能源储存与转换实验室（LESC），我们致力于诊断和表征储能材料。亚博网站下载

例如，我们研究最先进的锂离子电池，以了解为什么它们的电极材料会降解，以及我们如何在设备运行时捕捉这种降解。亚博网站下载我们称之为operando刻画。一旦我们弄清楚了材料降解的方式和原因，我们就可以制定工程策略来改善它们亚博网站下载的性能——在这种情况下，使电池更安全、更强大、更持久。

我们使用X射线，中子和基于电子工具。对于基于X射线和基于中子的实验，我们与国家实验室合作，以便访问其仪器，但我们本地访问基于电子工具，例如电子显微镜和聚焦离子束仪器．这些是常时赛默飞世尔科学产品有限公司．

你提到了电池安全。有什么问题吗?

我们要清晰;目前，电池是一种非常安全的产品。足够安全，人们每天都把它们放在手机、笔记本电脑等地方。

典型的事故发生率低于千万分之一;然而，我们现在有成千上万的电动汽车(使用锂离子电池)在世界各地销售。由于它们是汽车的一部分，电池的安全性现在非常重要;当发生车祸时，我们不希望看到电池着火或爆炸放大事故。这就是为什么目前的研究集中在固态电池之类的东西上，在这种电池中，易燃的液体电解质被固态电解质取代，在不牺牲能量或电力的情况下使电池更安全。

所以，这是电池研究的主要领域之一，我们很高兴能参与其中。同时，表征和诊断工具使我们能够确定哪些固态电解质是下一代电池的最佳选择。

为什么能源储存是如此重要的研究途径?

储能通常被认为是可再生能源转型的Achilles的脚跟，是该领域最大的研究驱动因素之一。当您生产风和太阳能时，您必须具有足够的能量存储容量，以便在它可用时可以存储，然后在需要时使用。

在这方面，电化学装置，如电池，真的至关重要。它们将电力转换为化学粘合能量，然后从化学能量回到电力而无燃烧。所以，这是一个非常有效的过程。如果我们想削减CO2排放并启用可再生能源技术，这项技术将真正成为游戏更换器。电动机可以具有无限扭矩，因此，通过更好的技术和社会益处的组合来推动到电动车辆（EV）的过渡 - 我们可以是“绿色”，同时享受更好的车辆驾驶体验。

事实上，我认为与20年前相比，现在的不同之处在于，企业可以做到绿色，可以实现可持续发展，可以盈利。我相信很多行业领袖会介入并说，你知道，这是一个经济决定。我们不再这样做，因为有政府补贴，或者因为我们只是在获得社会回报。

如果公司能够通过绿色和可持续发展获得更多利润，这将对解决气候变化有很长的路要走，真正减缓气候变化，使地球成为一个更宜居和更愉快的地方。我想这就是我真正想要传达的信息;你现在可以持续经营，赚很多钱。

您已经谈到了行业合作对您的研究的重要性。为什么会这样？

我认为，我实验室所有研究人员、研究生和博士后的动机是对材料性质的基本了解，但只有当我们找到最终用户，即公司，他们真正将在其产品中制造或使用这些材料时，这些知识才有影响。我想知道我们如何帮助他们制造出更好的产品，从而对社会产生积极影响。这就是为什么我实际上非常有动力与行业合作伙伴进行强有力的合作。亚博网站下载

例如，SPEC有一个项目，公司可以与我们合作，资助研究生奖学金。通过这种方式，他们可以第一手了解产生的所有知识产权。同时，学生们对他们的研究有一个非常导向的使命，因为他们所做的显然与最终产品有关。

我们使用高端仪器，如透射电子显微镜(tem)和同步加速器x射线源，来回答我们的工业伙伴无法回答的具体问题。我们可以解剖样本，并深入到原子层面，到纳米层面，找到真正的答案。缺陷在哪里?问题发生在哪里?然后我们将这些知识反馈给我们的行业合作伙伴。

如果像电池故障这样的事情发生在纳米尺度上，在分子水平上，你需要先进的工具来真正挖掘出故障的根源。你还需要有解释实验结果的能力。这就是学术机构发挥作用的地方;我们的技能与行业正在努力实现的目标是互补的，这也是为什么我们的合作关系通常很好。

但你的工作也会得到更传统的资助。

是的，我们的小组也通过国家科学基金会，能源部和其他几个联邦机构资助。亚博老虎机网登录我们的研究人员可以使用这些资源来产生很多基本的理解和知识。

当然，理想情况下，这项研究可以达到一个点，一些实际影响可以衡量;我认为我们最有影响力的工作是直接适用于我们的行业合作伙伴创造的产品。所以，这是学术界、工业界和联邦政府之间的合作努力;它们都是互补的。

显然，有非常清晰的边界。作为研究机构，我们不开发产品。我们的学生和博士后，人力资本是我们向社会的介绍 - 知识和人力资源。

你能多谈谈电子显微镜工具在你的研究中是如何使用的吗?

常用的工具是扫描电子显微镜(SEM)。然而，如果你拿一个电池，它是非常笨重的，有阴极，阳极，电解质和隔膜层。在这些层中，有数百万个粒子需要分析。yabo214为了对电池进行详细的诊断，我们需要某种工具来提取样本。为此，我们使用聚焦离子束(FIB)。在过去，这是镓离子束，但通过我们的合作赛默飞世尔科学公司，我们现在可以访问等离子FIB，在那里我们可以以更高的效率缩小更大的区域。

结合FIB和SEM，我们可以在微米级看到颗粒。一旦我们处理了样品，我们就可以进入透射电yabo214子显微镜，在那里我们可以在纳米尺度甚至埃尺度上观察样品，让我们看到原子和分子。我们这样做是因为，要真正正确地诊断电池材料，我们需要使用一套工具访问多个刻度，使我们能够实际探测材料并了解其特性。亚博网站下载

为什么你认为不断改进电池材料和设备如此重要？亚博网站下载

所以，在我的世界里，我认为自己是电池医生。当一个人生病时，医生需要正确的诊断，以便开正确的处方。为此，他们运行了许多不同的测试;他们抽血，做x光或核磁共振等等。

同样，我们诊断和表征材料，以确保它们在最佳最佳条件下运行。亚博网站下载这是至关重要的，因为他们最终进入了数十亿人每天携带的设备，到处都是在飞机上，到处都是。我们需要诊断故障可能发生故障的地方，可能使用最先进的工具，表征和计算可能发生问题。这就是为什么我正在做我正在做的事情，而且我很高兴分享这种体验。

我们现在在世界各地有一个很大的电池研究人员社区，我希望未来有更多的、聪明的、有才华的年轻科学家加入这个领域。我们已经看到年轻一代的研究人员引入了更高的通量表征和人工智能来解释数据。这是一个令人兴奋的领域，先进的特性工具可以实现许多事情。

在M&M 2020显微镜下的女性早餐你谈到了女性在科学领域的重要性;亚博老虎机网登录你能告诉我们更多吗?

多样性和包容驱动创新与创造力。当我的父亲向我介绍了一个关于Marie Curie博士的故亚博老虎机网登录事时，这是一个科学的女性的旅程始于玛丽居里博士的故事，这是两次被授予诺贝尔奖的唯一：“生活中没有任何东西，它是只是理解。“从那时起，她的话一直是我的指导原则。在过去的一百年中，妇女统称在茎田中造成了很多侵害，而是为了实现真正的股权，我们的旅程将继续。科学领域将吸引更多人才，并亚博老虎机网登录成为妇女推出和建立他们职业的首选，如果我们所有人（男女）在一起。我觉得有幸成为科学中的一个女人，并成为实施变革的部队的一部分。亚博老虎机网登录我希望这些信息明确地传达给显微镜早餐的女性的与会者。

关于雪莉医生

Y. Shirley孟博士于2005年在新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)中心获得微纳亚博网站下载系统先进材料博士学位，之后在麻省理工学院担任博士后研究员和后续研究科学家。孟博士目前是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院(the Jacobs School of Engineering at the University of California San Diego)的教授，在那里她担任Zable Endowed Chair in Energy Technologies的职务。

孟博士是本研究的主要研究者能源储存与转换实验室（LESC）是加州大学可持续发展动力与能源中心（SPEC）的创始主任。2020年，她还被任命为材料发现与设计研究所（IMDD）的首任主任。亚博网站下载

她是200多篇同行评议期刊文章的作者和合著者，两本书章节和四项专利，并是材料研究学会杂志的主编亚博网站下载yabo214MRS能源与可持续发展．