研究人员利用显微成像揭示双电层如何在电池成核点形成

盖世汽车讯 电化学电池（或电池，众所周知的例子）是一项融合了化学、物理、材料科学和电子学的复杂技术。它们不仅是从智能手机到电动汽车等各种设备的电源，更是科学研究的强大动力，旨在从分子层面全面理解其结构和演化。

图片来源： 伊利诺伊大学

据外媒报道，由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）格兰杰工程学院（The Grainger College of Engineering）材料科学与工程教授Yingjie Zhang领导的团队，首次完成了对电化学电池内固液界面液体的不均匀性的研究。

正如研究人员在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上发表的报告所示，显微成像显示，这些被称为双电层（EDL）的界面结构往往会随着固体表面化学沉积而形成特定的结构。该论文的标题为“固液界面成核伴随着双电层的重构（Nucleation at solid–liquid interfaces is accompanied by the reconfiguration of electrical double layers）”。

“人们倾向于仅仅因为电化学电池的技术用途而将其视为电池，但关于它们仍有许多科学研究工作要做，这些研究将为技术应用提供参考，”Zhang教授研究小组的研究生、该研究的主要作者Qian Ai说道。

“在我们的研究中，我们利用三维原子力显微镜（一种旨在感知微小力的技术）仔细检查了双电层（EDL）。我们首次观察到了围绕表面团簇的非均匀EDL的分子结构。”

电化学电池利用液体电解质内部的移动电荷来维持电不平衡，从而导致两端之间产生电压差。

100多年前对这些系统的早期研究表明，EDL存在于液体电解质和固体导体之间的界面处，介导电压差。它们由在界面处自组织成纳米厚层的电解质组成。

过去的研究表明，电池中的固液界面是不均匀的，其化学成分和形态在空间上存在差异，有时会形成表面团簇。然而，这些研究和模拟电化学电池的尝试仅仅局限于表面平坦均匀的模型系统。这导致了知识缺口，阻碍了人们对电化学电池和电池技术的理解。

为了研究这些不均匀的界面，该团队使用了3D原子力显微镜，这是一种旨在感知微小力的技术。这种方法使他们能够将EDL的不均匀性与表面团簇（在电池充电初始阶段成核的结构）关联起来。

根据数据，研究人员提出了EDL的三种主要响应：“弯曲”，即层似乎围绕团簇弯曲；“断裂”，即部分层分离形成新的中间层；以及“重新连接”，即团簇上方的EDL层连接到层数有偏移的邻近层。

“这三种模式非常普遍，”Ai说道。“这些结构主要是由于液体分子的有限尺寸，而不是它们特定的化学性质。我们应该能够根据固体表面形貌预测其他体系的液体结构。”

展望未来，研究人员期待进一步扩展他们的研究成果。

“这是开创性的，”Zhang教授说道。“我们解决了现实非均相电化学系统中的EDL问题，这在电化学领域堪称圣杯。除了技术上的实际意义外，我们还开始在电化学教科书中编写新的章节。”