电池为从智能手机到电动汽车的各种设备提供动力，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开发了一种以更高分辨率观察该界面的方法，这可能会揭示提高电池效率和寿命的新方法。

他们发表他们的结果在美国化学会杂志。

电极是一种导体，如金属棒或金属板，充当一种允许电流进出电池的网关。电池有两种类型：阳极（负极）和阴极（正极）。电解质是导电的液体介质离子阳极和阴极之间，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。该界面通过影响离子和溶剂分子如何积累、消耗和转移电荷，在电池性能中发挥着关键作用。

能源和矿物工程研究生研究助理、该研究的第一作者赖建伟表示，了解该界面的行为，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 控制着离子迁移和电子转移，从而实现电池中的电化学反应，”Lai 说。“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-电解质双层以超微小尺度存在，并且是高度动态的，根据施加的电压改变结构。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，会减慢电力的平稳流动，类似于交通拥堵如何减慢汽车的速度在高速公路上。

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

过去，科学家们利用理论模型来理解 EDL 的结构。伏安法、传统电毛细管法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。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，以帮助电池存储和释放更多能量。

为了克服这些障碍，赖和团队开发了一种新的改进版本的电毛细管现象。该技术测量施加电压时界面表面张力的变化。

研究人员的新方法使用先进的传感器和设备来捕获电极与电解质界面的快速变化。他们还开发了新的分析方法，不仅评估整体界面张力还可以了解离子的具体分布和界面处的电位变化，从而提供对电池性能更清晰、更详细的了解。

赖说，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电位剖面。

“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 至 100 倍，”Lai 说。“我们可以绘制出双层如何看待每个单独的电压或电势。这种动态性质是传统方法无法捕获的。”

研究人员利用他们的先进技术来探索锌电池电解质，由于其安全且廉价，锌电池电解质是电池生产中越来越受欢迎的选择。然而，弄清楚电解质表面如何与电极相互作用以及离子如何穿过该表面一直很困难，赖说。

离子在表面移动的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。通过新技术，研究小组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。

他们的分析表明，锌离子被氯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正确的位置。

赖说：“这种策略可以帮助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。”“我们现在可以看到这种布置是多么独特，以及它如何提高整体性能，使电池更加有效和可靠。”

赖表示，通过更清楚地了解电池的这些部分如何协同工作，科学家可以更好地测量和捕获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改善电池表现。从本质上讲，该技术可以作为一个通用平台来理解为什么电解质效果更好，从而可以指导未来更高效电池的设计。

“了解这个关键的界面对于帮助我们设计更好、更高效和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组成和界面电位分布，那么我们就能真正理解界面的结构。这是传统技术不可能实现的。”

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电池。

“电毛细管的现代化代表了电化学领域的重大飞跃，”赖说。“通过提供直接而精确的方法来研究电极Ø 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电池性能方面发挥至关重要的作用。储能未来的解决方案。”