宾夕法尼亚州立大学开发电池界面增强分析技术 将数据分辨率提高50-100倍

盖世汽车讯 电池可以为电动汽车等供电，其性能取决于电极和电解质之间的界面。据外媒报道，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）和行业研究人员开发出新方法，可以更高的分辨率来观察这种界面，并有望提高电池效率和寿命。

（图片来源：宾州大学）

电解质是在阳极和阴极之间传导离子的液体介质，使电流得以流动。电极-电解质界面是固体电极和液体电解质相遇的边界。该界面能够影响离子和溶剂分子的积累、消耗和转移电荷，在电池性能中起着关键作用。研究人员Jianwei Lai表示，了解这种界面行为，特别是双电层（EDL），对于设计更高效、更耐用的电池十分重要。“EDL控制离子迁移和电子传输，使电池中的电化学反应成为可能。它会直接影响电池的性能。”

然而，挑战在于这种电极-电解质双层存在于超微小的尺度上，并且是高度动态的，根据所施加的电压而改变结构。随着电压的变化，层中的离子和分子排列发生变化。电极-电解质层的变化会降低电池效率，减少电池储能，并缩短电池的寿命，比如离子卡在错误的位置，会使电流流动放缓，如同交通堵塞会减慢车速。Lai解释道：“EDL约为纳米级尺度，难以进行表征。而且其结构不是静态的，高度依赖于所施加电荷，因此直接对其进行研究极具挑战性。”  

以前，研究人员使用理论模型来了解EDL的结构。传统测量方法可以提供间接但不精确的线索，如伏安法、传统的电毛细管作用和电化学阻抗谱。Lai表示，当前电池系统更为复杂，因此这尤其成问题。这些电池使用复杂的盐溶液，以帮助电池储存和释放更多的能量。

为了克服这些障碍，该团队开发了一种新的改进版电毛细管作用（electrocapillarity）。这种技术可以测量当施加电压时界面的表面张力如何变化。研究人员通过新方法，使用先进的传感器和设备来发现电极-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。通过这些测量，研究人员可以以前所未有的细节绘制双层结构和潜在剖面。

Lai表示：“与传统方法相比，这种高分辨率方法将数据分辨率提高了50-100倍。我们可以绘制出双电层在每个单独的电压或电势下的表现。这种动态特性是传统方法无法捕捉的。”

研究人员利用先进技术来探索锌电池电解质，由于它们安全且成本低，在电池生产中越来越受欢迎。然而，Lai表示，了解电解质表面如何与电极相互作用，以及离子如何在该表面上移动，这一直都很困难。离子在表面的移动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见解。借助新技术，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、更有效。分析表明，锌离子被氯离子引导到正确的位置，而氯离子紧密粘附在电极表面，有助于将更多的锌离子引导到正确的位置。

Lai表示：“这种策略有助于锌离子在充放电期间更快地移动，从而加快充电速度，并提高电池效率。现在，我们可以看到这种排列的独特性及其如何提高整体性能，从而使电池更加高效和可靠。”  

据介绍，通过更清晰地了解这些电池部件如何协同工作，研究人员可以进一步测量和发现电极和电解质之间的微小相互作用，从而了解某些电解质成分或离子设计为何能改善电池性能。本质上来讲，该技术可以作为通用平台，帮助人们了解电解质为何能更好地发挥作用，从而指导未来设计更高效的电池。

Lai表示：“了解这一关键界面具有重要意义，有助于设计更好、更高效和更可靠的储能电解质。如果知道单个离子构成和界面电位分布，我们就可以真正了解界面结构。这是传统技术无法做到的。”

研究人员认为，借助这种前所未有的洞察力，他们将推动电解质工程设计取得重大进步，进而开发未来清洁能源驱动技术所需的改进型电池。   

Lai表示：“现代化电毛细管作用代表着电化学领域的重大飞跃。通过提供一种直接、精确的方法来研究电极-电解质界面，这项技术将有助于研究人员更好地了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持续增长，这项研究将在推动创新和完善未来储能解决方案方面发挥关键作用。”