从智能手机到电动汽车，电池为所有东西提供动力，它们的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方法，可以在更高的分辨率下观察这个界面，这可能会揭示提高电池效率和寿命的新方法。

　　他们在《美国化学学会杂志》上发表了他们的研究结果。

　　电极是一种导体，就像一根金属棒或金属板，它起到了一种通道的作用，允许电流进出电池。电池有两种类型:阳极是负极，阴极是正极。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。该界面通过影响离子和溶剂分子如何积聚、耗尽和转移电荷，对电池的性能起着至关重要的作用。

　　能源与矿物工程研究生研究助理、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)的行为，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，使电池中的电化学反应成为可能，”赖说。“这就是为什么研究双层电池是当务之急——它会直接影响电池的性能。”

　　然而，挑战在于这种电极-电解质双层存在于一个超微小的尺度上，并且是高度动态的，根据施加的电压而改变结构。随着电压的变化，层中离子和分子的排列发生变化。

　　电极-电解质层的变化会降低电池的效率，减少电池的能量储存，缩短电池的寿命，比如当离子卡在错误的位置时，会减慢电流的流畅流动，就像高速公路上交通堵塞会减慢汽车的速度一样。

　　“EDL大约在纳米尺度上，所以很难表征，”Lai解释说。“而且这种结构不是静态的，它高度依赖于所施加的电荷，这使得直接研究它非常具有挑战性。”

　　过去，科学家们使用理论模型来理解EDL的结构。传统的测量方法，如伏安法、传统的电毛细管和电化学阻抗谱，可以提供间接但不精确的线索。赖说，对于当今电池中更复杂的系统来说，这尤其成问题，其中包括复杂的盐溶液，以帮助电池储存和释放更多的能量。

　　为了克服这些障碍，Lai和他的团队开发了一种新的、改进版的电毛细作用。这种技术测量了当施加电压时界面的表面张力如何变化。

　　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，还可以评估离子的特定分布和界面上的电位变化，从而更清晰、更详细地了解电池的性能。

　　Lai说，通过这些测量，他们可以以前所未有的细节绘制双层结构和潜在剖面。

　　“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，”赖说。“我们可以绘制出双层如何看待每个单独的电压或电位。这种动态特性是传统方法无法捕捉到的。”

　　研究人员使用他们的先进技术来探索锌电池电解质，锌电池电解质是电池生产中越来越受欢迎的选择，因为它们既安全又便宜。然而，弄清楚电解液的表面是如何与电极相互作用的，以及离子是如何在这个表面上移动的，一直是困难的，赖说。

　　离子在表面移动的方式影响电池的工作效率，因此了解这种相互作用可以为开发更好的电池提供洞察力。通过他们的新技术，研究小组发现，更多的锌离子聚集在双层电池中，从而使电池充电更快、更有效。

　　他们的分析显示，锌离子被氯离子引导到正确的位置，氯离子紧贴在电极表面，帮助引导更多的锌离子到正确的位置。

　　“这种策略通过帮助锌离子在充放电过程中更快地移动，加快了充电速度，提高了电池的效率，”赖说。“我们现在可以看到这种安排是多么独特，以及它如何提高整体性能，使电池更有效、更可靠。”

　　根据Lai的说法，通过更清楚地了解电池的这些部分是如何协同工作的，科学家们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，从而使他们能够理解为什么某些电解质成分或离子设计可能会提高电池性能。

　　从本质上讲，这项技术可以作为一个通用平台来理解为什么电解质工作得更好，这可以指导未来设计更高效的电池。

　　“了解这个关键界面对于帮助我们设计更好、更高效、更可靠的储能电解质至关重要，”赖说。“如果我们知道单个离子的构成和界面电位分布，那么我们就可以真正理解界面的结构。这是传统技术无法做到的。”

　　赖说，有了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电池。

　　“电毛细的现代化代表了电化学领域的一个重大飞跃，”赖说。“通过提供一种直接而精确的方法来研究电极-电解质界面，这项技术将使研究人员能够更好地理解和优化电池内部发生的关键过程。

　　“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进未来的储能解决方案方面发挥至关重要的作用。”

　　更多信息:赖建伟等，通过高分辨率电毛细管连接电池的界面结构和电化学行为，美国化学学会杂志(2024)。DOI: 10.1021 /江淮。4c03791期刊信息:美国化学学会杂志由宾夕法尼亚州立大学提供引用:增强电毛细管技术推进电池界面分析(2024年，10月7日)检索自2024年10月7日https://techxplore.com/news/2024-10-electrocapillarity-technique-advances-battery-interface.html此文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。