科学家用“分子眼”观测电池 提高电池性能

(图片来源:美国陆军研究实验室官网)通过分子眼技术，科学家可以更准确地了解电池内部的工作原理，并找出它们容易着火的原因。据国外媒体报道，来自美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室和美国能源部太平洋西北国家实验室的研究人员探索了电池的两个关键部分接触时如何发生化学反应，并形成了电池的关键部分，俗称固体电解质界面面膜(SEI)。研究人员表示，了解电池SEI的化学性质和形成机制对未来更好地开发高质量电池具有关键作用。这项新研究使用分子眼技术来绘制SEI化学和结构动力学。陆军科学家奥列格·鲍罗丁(Oleg Borodin)博士表示，这些属性会影响电池的充放电速率，尤其是在低温、安全性和循环寿命方面。Kang Xu博士说:“sei对电池性能至关重要，但很难详细描述它们的特征。它们决定电池的充电速度，以提高运行性能，并防止电池运行时突然变慢或出现故障。然而，就像暗物质一样，每个人都知道它们的存在，但不确定它们是如何工作的。”来自太平洋西北国家实验室的科学家开发了原位液体二次离子质谱分析技术。他们与陆军科学家合作，利用这项技术在分子水平上研究电池充电第一个小时内电极电解质界面的化学工作原理。通过监测SEIs的形成和化学变化，绘制发生的化学反应，并结合分子动力学模拟方法，他们的工作揭示了一些以前只能猜测的事情。在电池充电的初始阶段，电极/电解质界面会形成双电层。这种两层结构导致SEI中的微结构和化学差异，并最终决定电池性能。在分子水平上理解这种界面可以为更好的电池设计提供有力的指导。研究人员发现，在初始充电过程中，在任何相间化学反应发生之前，由于溶剂分子的自组装，电极/电解质界面上会形成双电层。这受到锂离子和电极表面电位的影响。这种两层结构预测了最终的界面化学，特别是在带负电荷的电极表面，它排斥内层的盐阴离子，导致内部薄而致密的无机SEI。正是这种均匀致密层负责传导Li+和绝缘电子，这是SEI的主要功能。内层形成后，出现电解质可渗透和富含有机物的外层。在高浓度的富含氟化物的电解质存在下，由于双层中阴离子的存在，SEI内层中的LiF浓度很高。这种实时纳米级观察将有助于为未来的电池设计更好的接口。2017年，陆军研究人员首次与马里兰大学合作开发了锂离子电池。这种电池使用盐水溶液作为电解液，达到家用电子产品(如笔记本电脑)所需的4.0V电压，不会像一些商用非水锂离子电池那样存在火灾和爆炸的风险。该团队发明的水基电池不同于大多数商用电池。了解SEI可以逐步改进当前的技术，作为许多陆军应用的直接解决方案。

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