科學家用“分子眼”觀測電池 提高電池性能

(圖片來源:美國陸軍研究實驗室官網)通過分子眼技術，科學家可以更準確地了解電池內部的工作原理，并找出它們容易著火的原因。據國外媒體報道，來自美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室和美國能源部太平洋西北國家實驗室的研究人員探索了電池的兩個關鍵部分接觸時如何發生化學反應，并形成了電池的關鍵部分，俗稱固體電解質界面面膜(SEI)。研究人員表示，了解電池SEI的化學性質和形成機制對未來更好地開發高質量電池具有關鍵作用。這項新研究使用分子眼技術來繪制SEI化學和結構動力學。陸軍科學家奧列格·鮑羅丁(Oleg Borodin)博士表示，這些屬性會影響電池的充放電速率，尤其是在低溫、安全性和循環壽命方面。Kang Xu博士說:“sei對電池性能至關重要，但很難詳細描述它們的特征。它們決定電池的充電速度，以提高運行性能，并防止電池運行時突然變慢或出現故障。然而，就像暗物質一樣，每個人都知道它們的存在，但不確定它們是如何工作的。”來自太平洋西北國家實驗室的科學家開發了原位液體二次離子質譜分析技術。他們與陸軍科學家合作，利用這項技術在分子水平上研究電池充電第一個小時內電極電解質界面的化學工作原理。通過監測SEIs的形成和化學變化，繪制發生的化學反應，并結合分子動力學模擬方法，他們的工作揭示了一些以前只能猜測的事情。在電池充電的初始階段，電極/電解質界面會形成雙電層。這種兩層結構導致SEI中的微結構和化學差異，并最終決定電池性能。在分子水平上理解這種界面可以為更好的電池設計提供有力的指導。研究人員發現，在初始充電過程中，在任何相間化學反應發生之前，由于溶劑分子的自組裝，電極/電解質界面上會形成雙電層。這受到鋰離子和電極表面電位的影響。這種兩層結構預測了最終的界面化學，特別是在帶負電荷的電極表面，它排斥內層的鹽陰離子，導致內部薄而致密的無機SEI。正是這種均勻致密層負責傳導Li+和絕緣電子，這是SEI的主要功能。內層形成后，出現電解質可滲透和富含有機物的外層。在高濃度的富含氟化物的電解質存在下，由于雙層中陰離子的存在，SEI內層中的LiF濃度很高。這種實時納米級觀察將有助于為未來的電池設計更好的接口。2017年，陸軍研究人員首次與馬里蘭大學合作開發了鋰離子電池。這種電池使用鹽水溶液作為電解液，達到家用電子產品(如筆記本電腦)所需的4.0V電壓，不會像一些商用非水鋰離子電池那樣存在火災和爆炸的風險。該團隊發明的水基電池不同于大多數商用電池。了解SEI可以逐步改進當前的技術，作為許多陸軍應用的直接解決方案。

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