УНИВЕРСИТИ-ПАРК, Пенсильвания — Батареи питают все, от смартфонов до электромобилей, а их производительность зависит от критического интерфейса между электродом и электролитом. Исследователи из Пенсильванского университета и отраслевые исследователи разработали метод наблюдения за этим интерфейсом с более высоким разрешением, который потенциально может открыть новые способы повышения эффективности и срока службы батареи.
Свои результаты они опубликовали в журнале Журнал Американского химического общества.
Электрод — это проводник, похожий на металлический стержень или пластину, который действует как своего рода шлюз, позволяющий электричеству проникать в батарею и выходить из нее. Батарея бывает двух типов: аноды (отрицательные электроды) и катоды (положительные электроды). Электролиты — это жидкая среда, которая проводит ионы между анодом и катодом, обеспечивая протекание электрического тока.
Граница раздела электрод-электролит — это граница, где встречаются твердый электрод и жидкий электролит. Этот интерфейс играет решающую роль в работе батарей, влияя на то, как ионы и молекулы растворителя накапливаются, истощаются и переносят заряды. По словам Цзяньвэя Лая, научного сотрудника в области энергетики и минерального машиностроения и первого автора исследования, понимание поведения этого интерфейса, в частности двойного электрического слоя (EDS), необходимо для разработки более эффективных и долговечных батарей.
«EDL управляет миграцией ионов и переносом электронов, которые обеспечивают электрохимические реакции в батареях», — сказал Лай. «Вот почему изучение двойного слоя является главным приоритетом — он может напрямую влиять на производительность батареи».
Проблема, однако, заключается в том, что этот двойной слой электрод-электролит существует в сверхмалых масштабах и является очень динамичным, меняя структуру в зависимости от приложенного напряжения. При изменении напряжения расположение ионов и молекул в слое смещается. Сдвиги в слое электрод-электролит могут сделать батарею менее эффективной, уменьшить ее запас энергии и сократить срок ее службы, например, когда ионы застревают в неправильных местах, замедляя плавный поток электричества, подобно тому, как пробки замедляют движение автомобилей. шоссе.
«EDL находится в нанометровом масштабе, поэтому его очень сложно охарактеризовать», — объяснил Лай. «И структура не статична — она сильно зависит от приложенного заряда, что затрудняет непосредственное изучение».
В прошлом ученые использовали теоретические модели, чтобы понять структуру EDL. Обычные методы измерения, такие как вольтамперометрия, традиционная электрокапиллярность и электрохимическая импедансная спектроскопия, могут дать косвенные, но неточные подсказки. По словам Лая, это особенно проблематично для более сложных систем современных аккумуляторов, которые включают сложные солевые растворы, помогающие аккумулятору хранить и высвобождать больше энергии.
Чтобы преодолеть эти препятствия, Лай и его команда разработали новую, улучшенную версию электрокапиллярности. Этот метод измеряет, как изменяется поверхностное натяжение интерфейса при приложении напряжения. Новый подход исследователей использует передовые датчики и оборудование для регистрации быстрых изменений на границе раздела электрод-электролит. Они также разработали новые аналитические методы для оценки не только общего межфазного натяжения, но также конкретного распределения ионов и потенциальных изменений на границе раздела, что обеспечивает более четкое и детальное понимание характеристик батареи. По словам Лая, с помощью этих измерений они смогут составить карту двухслойной структуры и потенциального профиля с беспрецедентной детализацией.
«По сравнению с традиционными методами наш подход с высоким разрешением улучшает разрешение данных в 50–100 раз», — сказал Лай. «Мы можем составить карту того, как двойной слой выглядит при каждом отдельном напряжении или потенциале. Эту динамическую природу традиционные методы просто не могут уловить».
Исследователи использовали свою передовую технику для изучения электролитов цинковых аккумуляторов, которые становятся все более популярным выбором для производства аккумуляторов, поскольку они безопасны и недороги. Однако выяснить, как поверхность электролита взаимодействует с электродом и как ионы движутся по этой поверхности, было сложно, сказал Лай. То, как ионы движутся по поверхности, влияет на эффективность работы батареи, поэтому понимание этого взаимодействия может помочь в разработке более совершенных батарей. С помощью новой технологии команда обнаружила, что в двойном слое собирается больше ионов цинка, что приводит к более быстрой и эффективной зарядке батарей. Их анализ показал, что ионы цинка направляются в нужное положение ионами хлорида, которые плотно прилипают к поверхности электрода, помогая направить больше ионов цинка в нужное место.
«Эта стратегия ускоряет зарядку и делает батареи более эффективными, помогая ионам цинка двигаться быстрее во время зарядки и разрядки», — сказал Лай. «Теперь мы можем увидеть, насколько уникальна эта конструкция и как она улучшает общую производительность, делая батареи более эффективными и надежными».
По словам Лая, имея более четкое представление о том, как эти части батареи работают вместе, ученые смогут лучше измерять и фиксировать крошечные взаимодействия между электродом и электролитом, что позволяет им понять, почему определенные компоненты электролита или ионные конструкции могут улучшить производительность батареи. . По сути, этот метод может служить универсальной платформой для понимания того, почему электролит работает лучше, что может помочь в разработке более эффективных батарей в будущем.
«Понимание этого важнейшего интерфейса необходимо для того, чтобы помочь нам разрабатывать более качественные, эффективные и надежные электролиты для хранения энергии», — сказал Лай. «Если мы знаем как состав отдельного иона, так и профиль межфазного потенциала, то мы действительно сможем понять, как структурирован интерфейс. Это то, что никогда не было возможно с помощью традиционных методов».
Вооружившись этим беспрецедентным уровнем понимания, Лай сказал, что, по его мнению, они могут добиться значительных успехов в разработке электролитов и, в свою очередь, разработать улучшенные батареи, которые потребуют будущие технологии, основанные на экологически чистой энергии.
«Модернизация электрокапиллярности представляет собой значительный шаг вперед в области электрохимии», — сказал Лай. «Предлагая прямой и точный метод изучения интерфейса электрод-электролит, этот метод позволит исследователям лучше понять и оптимизировать критические процессы, происходящие в батареях. Поскольку спрос на высокопроизводительные батареи продолжает расти, это исследование сыграет решающую роль в стимулировании инноваций и совершенствовании решений для хранения энергии будущего».
Среди других авторов исследования — автор-корреспондент Пенсильванского университета Фейфей Ши, доцент кафедры энергетической инженерии, и Ханьруй Чжан, аспирант-исследователь в области энергетики и минерального машиностроения; и от SES AI Corporation Кан Сюй, главный научный сотрудник. Министерство энергетики США и награда «Карьера» Национального научного фонда США, врученная Ши, поддержали это исследование.
