電池為從智慧型手機到電動車的各種設備提供動力，其性能取決於電極和電解質之間的關鍵介面。賓州州立大學和產業研究人員開發了一種以更高分辨率觀察該介面的方法，這可能會揭示提高電池效率和壽命的新方法。

他們發表他們的結果在美國化學會雜誌。

電極是一種導體，如金屬棒或金屬板，可作為一種允許電流進出電池的網關。電池有兩種類型：陽極（負極）和陰極（正極）。電解質是導電的液體介質離子陽極和陰極之間，使電流能夠流動。

電極–電解質界面是固體電極和液體電解質相遇的邊界。該界面透過影響離子和溶劑分子如何累積、消耗和轉移電荷，在電池性能中發揮關鍵作用。

能源和礦物工程研究生研究助理、研究的第一作者賴建偉表示，了解該介面的行為，特別是雙電層（EDL），對於設計更有效率、更耐用的電池至關重要。

「EDL 控制離子遷移和電子轉移，從而實現電池中的電化學反應，」Lai 說。“這就是為什麼研究雙層是重中之重——它可以直接影響電池性能。”

然而，挑戰在於這種電極-電解質雙層以超微小尺度存在，並且是高度動態的，根據施加的電壓改變結構。隨著電壓的變化，層中離子和分子的排列會改變。

電極電解質層的變化會降低電池的效率，減少其能量儲存並縮短其壽命，例如當離子卡在錯誤的位置時，會減慢電力的平穩流動，類似於交通擁堵如何減慢汽車的速度在高速公路上。

「EDL 大約在奈米尺度，因此很難表徵，」Lai 解釋道。“而且這種結構不是靜態的——它高度依賴於施加的電荷，這使得直接研究非常具有挑戰性。”

過去，科學家利用理論模型來理解 EDL 的結構。伏安法、傳統電毛細管法和電化學阻抗譜等傳統測量方法可以提供間接但不精確的線索。賴說，對於當今電池中更複雜的系統來說，這尤其成問題，其中包括複雜的鹽溶液，以幫助電池儲存和釋放更多能量。

為了克服這些障礙，賴和團隊開發了一種新的改進版本的電毛細管現象。此技術測量施加電壓時界面表面張力的變化。

研究人員的新方法使用先進的感測器和設備來捕捉電極與電解質界面的快速變化。他們還開發了新的分析方法，不僅評估整體界面張力還可以了解離子的具體分佈和界面處的電位變化，從而提供對電池性能更清晰、更詳細的了解。

賴說，透過這些測量，他們可以以前所未有的細節繪製雙層結構和電位剖面。

「與傳統方法相比，我們的高解析度方法將資料解析度提高了 50 至 100 倍，」Lai 說。“我們可以繪製出雙層如何看待每個單獨的電壓或電位。這種動態性質是傳統方法無法捕獲的。”

研究人員利用他們的先進技術來探索鋅電池電解質，由於其安全且廉價，鋅電池電解質是電池生產中越來越受歡迎的選擇。然而，弄清楚電解質表面如何與電極相互作用以及離子如何穿過該表面一直很困難，賴說。

離子在表面移動的方式會影響電池的運作效率，因此了解這種相互作用可以為開發更好的電池提供見解。透過新技術，研究團隊發現更多的鋅離子聚集在雙層中，使電池充電更快、更有效。

他們的分析表明，鋅離子被氯離子引導到正確的位置，氯離子緊密地黏附在電極表面，有助於引導更多的鋅離子到正確的位置。

賴說：“這種策略可以幫助鋅離子在充電和放電過程中更快地移動，從而加快充電速度並提高電池效率。”“我們現在可以看到這種佈置是多麼獨特，以及它如何提高整體性能，使電池更加有效和可靠。”

賴表示，透過更清楚地了解電池的這些部分如何協同工作，科學家可以更好地測量和捕獲電極和電解質之間的微小相互作用，從而使他們能夠理解為什麼某些電解質成分或離子設計可能會改善電池表現。從本質上講，該技術可以作為一個通用平台來理解為什麼電解質效果更好，從而可以指導未來更有效率電池的設計。

「了解這個關鍵的介面對於幫助我們設計更好、更有效率和更可靠的儲能電解質至關重要，」賴說。

“如果我們知道單一離子的組成和界面電位分佈，那麼我們就能真正理解界面的結構。這是傳統技術不可能實現的。”

賴表示，憑藉這種前所未有的洞察力，他相信他們可以推動電解質工程的重大進步，進而開發出未來清潔能源驅動技術所需的改進電池。

「電毛細管的現代化代表了電化學領域的重大飛躍，」賴說。「透過提供直接而精確的方法來研究電極Ø 電解質介面，這項技術將使研究人員能夠更好地理解和優化電池內發生的關鍵過程。

「隨著對高性能電池的需求不斷增長，這項研究將在推動創新和改善電池性能方面發揮至關重要的作用。儲能未來的解決方案。