這是邁向更快、更耐用電池的關(guān)鍵一步。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的一個(gè)研究小組首次清晰地展示了在工作的電化學(xué)電池內(nèi)部，超薄液層如何在微觀表面團(tuán)簇周圍進(jìn)行自我重組。這項(xiàng)研究提供了可望改進(jìn)電池設(shè)計(jì)和性能的基礎(chǔ)性見(jiàn)解。

電化學(xué)電池，即通常所說(shuō)的電池，依靠液態(tài)電解質(zhì)中的移動(dòng)離子來(lái)維持兩個(gè)固態(tài)電極之間的電壓差。一個(gè)多世紀(jì)前，科學(xué)家們就認(rèn)識(shí)到，在每個(gè)固-液邊界處，離子會(huì)自發(fā)組織成納米尺度的雙電層 (EDLs)，幫助調(diào)節(jié)電壓。

然而，直到現(xiàn)在，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)和模型都將這些界面視為完全平坦的，這留下了一個(gè)懸而未決的問(wèn)題：在真實(shí)設(shè)備復(fù)雜、不平整的表面上，雙電層是如何表現(xiàn)的？

首次觀察真實(shí)界面

該研究團(tuán)隊(duì)由材料科學(xué)家張英杰（音譯）領(lǐng)導(dǎo)，他們使用了一種靈敏到足以感知單個(gè)分子間作用力的成像技術(shù) —— 三維原子力顯微鏡 (3D-AFM)，探測(cè)了電池充電最早階段（即沉積物質(zhì)團(tuán)簇首次在電極上成核時(shí)）電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

該研究的第一作者、研究生艾茜（Qian Ai）解釋說(shuō)，該小組“利用三維原子力顯微鏡仔細(xì)檢測(cè)了雙電層”，并且首次“觀察到了圍繞表面團(tuán)簇的非均勻雙電層的分子結(jié)構(gòu)”。

他們發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences) 上的測(cè)量結(jié)果表明，雙電層并非簡(jiǎn)單地均勻覆蓋在不平坦的地形上。相反，它會(huì)直接響應(yīng)新出現(xiàn)的團(tuán)簇而重組形成獨(dú)特的形態(tài)。這一現(xiàn)象在早期依賴完美光滑模型表面的研究中被忽略了。

三種普遍模式浮現(xiàn)

基于在電極表面收集的數(shù)千條力-距離曲線，研究人員確定了雙電層對(duì)新生團(tuán)簇響應(yīng)的三種主要方式：

1. 彎曲 (Bending)：當(dāng)原本平坦的層彎曲以貼合突起沉積物的側(cè)面時(shí)發(fā)生。
2. 斷裂 (Breaking)：當(dāng)雙電層的一部分完全脫離，在團(tuán)簇上方形成一組新的中間層時(shí)發(fā)生。
3. 重新連接 (Reconnecting)：將位于團(tuán)簇正上方的層與相鄰層連接起來(lái)，但兩者之間偏移了一個(gè)分子層。

“這三種模式相當(dāng)普遍，”艾茜指出，并補(bǔ)充說(shuō)它們主要源于“液體分子的有限尺寸，而非其特定的化學(xué)性質(zhì)”。換句話說(shuō)，電解質(zhì)的重組方式更多地取決于電極表面的幾何形狀，而非液體本身的細(xì)節(jié)。這一見(jiàn)解可能使科學(xué)家僅通過(guò)分析表面形態(tài)就能預(yù)測(cè)液體結(jié)構(gòu)，從而有望簡(jiǎn)化未來(lái)的電池研究。

電化學(xué)教科書(shū)的新篇章

張英杰稱這種在真實(shí)、非均質(zhì)環(huán)境中可視化雙電層的能力是“突破性的”，并補(bǔ)充說(shuō)他的團(tuán)隊(duì)“在真實(shí)、非均質(zhì)的電化學(xué)系統(tǒng)中解析了雙電層，這是電化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)‘圣杯’?！?/p>

除了實(shí)際應(yīng)用（如提高鋰離子電池的耐用性或充電速度）之外，這些發(fā)現(xiàn)還改寫(xiě)了關(guān)于固-液界面如何運(yùn)作的基本認(rèn)識(shí)。

這項(xiàng)工作也有助于填補(bǔ)作者所描述的長(zhǎng)期存在的知識(shí)空白。以前的模型無(wú)法解釋為何某些電池材料在相同條件下表現(xiàn)更好或退化更快。

該研究通過(guò)闡明納米尺度的表面特征如何重塑雙電層，為將微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)奠定了基礎(chǔ)。展望未來(lái)，研究人員計(jì)劃測(cè)試其他電解質(zhì)和電極材料中是否也會(huì)出現(xiàn)相同的三種響應(yīng)模式，他們認(rèn)為這一步對(duì)于將這一發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際設(shè)備至關(guān)重要。

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