Probing and controlling ultrafast electron and ion dynamics in operating battery electrodes and interfaces

Descripción del proyecto

Impulsar la dinámica de carga ultrarrápida en las baterías

Comprender la dinámica de carga ultrarrápida resulta fundamental para mejorar los dispositivos electroquímicos de energía, como las baterías, pero sigue siendo poco conocida en las interfaces nanoscópicas. Entre los retos más importantes se encuentran la pérdida de capacidad de los electrodos por estados inestables de transferencia de carga, los desequilibrios químicos en las interfaces electrodo-electrolito que ralentizan la carga rápida y la lentitud del movimiento iónico en los materiales sólidos. Para superar estas barreras, el proyecto FemtoCharge, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, es pionero en el uso de la espectroscopia de femtosegundos y la ciencia de baterías operando para desentrañar estos procesos ultrarrápidos. Al revelar las vías óptimas de transporte de carga, los mecanismos de solvatación y la dinámica de salto de iones, el equipo de FemtoCharge pretende revolucionar el diseño de materiales para baterías y desarrollar herramientas de vanguardia para sondear fenómenos de carga profundamente enterrados. Este método innovador podría redefinir el rendimiento de las baterías y ofrecer un plan para futuros avances electroquímicos.

Objetivo

Charge dynamics lie at the crux of electrochemical energy devices, and in-particular batteries, impacting everything from durability to capacity. On mesoscopic time (ns to s) and length scales (nm to mm) we have a good understanding of charge transport related phenomena in batteries. However, when it comes to faster femtosecond/picosecond processes and those at nanoscopic interfaces, our insight remains limited. This is a critical problem. In this regime lie:

(a) the individual electronic/structural steps in the redox chain that can cause electrode capacity loss via charge-transfer to inactive/unstable states
(b) (de)solvation processes that inhibit fast charging through chemical imbalances at electrode/electrolyte interfaces
(c) sluggish ionic hops limiting the use of many solid-electrolyte and electrode materials

In FemtoCharge, I will take the conceptual leap needed to elucidate ultrafast interfacial dynamics in batteries, by merging femtosecond spectroscopy/microscopy and operando battery science. My novel approach is based on my pioneering work to optically image ultrafast spatio-temporal dynamics, and their coupling to structure, in nanomaterials, and probing in the complex solid/liquid environment of batteries. I will leverage this approach to:

1. uncover optimal electronic/structural pathways for charge-transport in current and developing electrode materials
2. quantitatively reveal potentials and solvation mechanisms at electrode/liquid electrolyte interfaces
3. use lattice vibrations to manipulate ion-hopping in solid electrodes/electrolytes

I will deliver blueprints for building new electrode/electrolyte battery materials, strategies for external stimuli-based tuning of battery charge-transport and game-changing operando tools for characterising charge-dynamics, particularly when they are stochastic or deeply buried. Ultimately, the fundamental insights and new techniques of FemtoCharge will make controlling charges the future of electrochemistry.