增强电毛细管技术促进电池界面分析

Josiah02

电池为从智能手机到电动汽车等各种设备提供动力，其性能取决于电极和电解质之间的关键界面。宾夕法尼亚州立大学和行业研究人员已经开发出一种以更高分辨率观察该界面的方法，这可能会揭示出提高电池效率和寿命的新方法。
他们在《美国化学会志》上发表了他们的研究成果。
电极是一种导体，如金属棒或金属板，充当一种通道，允许电流进出电池。电池有两种类型：阳极，即负极，和阴极，即正极。电解质是在阳极和阴极之间传导离子的液体介质，使电流能够流动。
电极-电解质界面是固体电极和液体电解质相遇的边界。该界面影响离子和溶剂分子如何积累、消耗和转移电荷，对电池性能起着至关重要的作用。
能源与矿物工程研究生助理、该研究的第一作者赖建伟表示，了解这种界面的行为，特别是双电层 (EDL)，对于设计更高效、更耐用的电池至关重要。
“EDL 控制离子迁移和电子转移，从而实现电池中的电化学反应，”Lai 说道。“这就是为什么研究双层是重中之重——它可以直接影响电池性能。”
然而，挑战在于，这种电极-电解质双层存在于极小的尺度上，并且高度动态，会根据施加的电压改变结构。随着电压的变化，层中的离子和分子的排列也会发生变化。
电极-电解质层的变化会降低电池的效率，减少其能量存储并缩短其寿命，例如当离子卡在错误的位置时会减慢电流的平稳流动，类似于交通堵塞会使高速公路上的汽车速度减慢。
“EDL 的尺寸约为纳米级，因此很难表征，”Lai 解释道。“而且其结构不是静态的——它高度依赖于施加的电荷，这使得直接研究它非常具有挑战性。”
过去，科学家使用理论模型来了解 EDL 的结构。伏安法、传统电毛细管现象和电化学阻抗谱等传统测量方法可以提供间接但不精确的线索。Lai 表示，这对于当今电池中更复杂的系统尤其成问题，其中包括复杂的盐溶液，以帮助电池存储和释放更多能量。
为了克服这些障碍，赖和他的团队开发了一种新的改良版电毛细管现象。该技术测量施加电压时界面表面张力的变化情况。
研究人员的新方法使用先进的传感器和设备来捕捉电极-电解质界面的快速变化。他们还开发了新的分析方法，不仅可以评估整体界面张力，还可以评估离子的具体分布和界面电位变化，从而更清晰、更详细地了解电池性能。
赖表示，通过这些测量，他们可以以前所未有的细节绘制出双层结构和电位剖面图。
“与传统方法相比，我们的高分辨率方法将数据分辨率提高了 50 到 100 倍，”Lai 说道。“我们可以绘制出双层在每个电压或电位下的表现。这种动态特性是传统方法无法捕捉的。”
研究人员利用他们的先进技术探索了锌电池电解质，这是一种越来越受欢迎的电池生产选择，因为它们安全且价格低廉。然而，赖说，弄清楚电解质表面如何与电极相互作用以及离子如何在这个表面上移动一直很困难。
离子在表面的移动方式会影响电池的运行效率，因此了解这种相互作用可以为开发更好的电池提供见解。利用他们的新技术，该团队发现更多的锌离子聚集在双层中，从而使电池充电更快、更高效。
他们的分析表明，氯离子将锌离子引导到正确的位置，氯离子紧密粘附在电极表面，有助于引导更多的锌离子到达正确的位置。
“这种策略有助于锌离子在充电和放电过程中更快地移动，从而加快充电速度并提高电池效率，”赖说。“我们现在可以看到这种安排有多么独特，以及它如何提高整体性能，使电池更加高效和可靠。”
赖教授表示，通过更清楚地了解电池各部件如何协同工作，科学家可以更好地测量和捕捉电极和电解质之间的微小相互作用，从而让他们理解为什么某些电解质成分或离子设计可能会改善电池性能。
本质上，该技术可以作为一个通用平台来了解电解质为何能发挥更好的作用，从而指导未来设计更高效的电池。
“了解这一关键界面对于我们设计更好、更高效、更可靠的储能电解质至关重要，”Lai 说道。“如果我们既了解单个离子的组成，又了解界面电位分布，那么我们就能真正了解界面的结构。这是传统技术永远无法实现的。”
赖表示，凭借这种前所未有的洞察力，他相信他们可以推动电解质工程的重大进步，进而开发出未来清洁能源驱动技术所需的改进型电池。
“电毛细管技术的现代化代表着电化学领域的一次重大飞跃，”Lai 说道。“通过提供一种直接而精确的方法来研究电极-电解质界面，该技术将使研究人员能够更好地理解和优化电池内发生的关键过程。”
“随着对高性能电池的需求不断增长，这项研究将在推动创新和改善未来的能源存储解决方案方面发挥关键作用。”