德雷塞爾大學闡明電池和超級電容器的電化學儲能機制

據外媒報道，德雷塞爾大學（Drexel University）的研究人員開發了一項新技術，可以快速識別在不同成分電池和超級電容器中發生的確切電化學機制。這一突破有助于加快設計高性能儲能設備。

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（圖片來源：德雷塞爾大學）

該團隊結合兩種成熟的科學研究方法，一種是通過化合物吸收可見光的能力來確定化合物的組成，另一種是測量電池和超級電容器等儲能設備的電流。通過同時進行這些測試，研究人員可以更精確的方式來跟蹤設備內的離子轉移，從而揭示產生可用電力的復雜電化學過程。

該校研究人員Danzhen Zhang表示，在操作過程中以有意義的方式量化和觀察復雜的電化學系統極其困難，挑戰在于不可能看到離子（荷電原子粒子）。這些粒子在充電時進入設備，并通過運動產生電流，為設備供電，但是尺寸太小，移動得太快了。

因為無法看到離子如何在電極內部、頂部和之間排列，所以通過合理的設計來最大化儲能區并促進離子有序進出，相當具有挑戰性。研究人員John Wang表示：“這就像閉著眼睛打開食品儲藏室的門，聞一聞里面，是否還有足夠的空間再放幾罐湯。”

離子在電極上聚集的三種最常見方式是，在其原子層內、表面上或在其表面上的其他離子之上。就電池或超級電容器的性能而言，這些排列方式各有優缺點。嵌入電極材料層可以儲存更多的能量；附著和脫離材料表面，稱為表面氧化還原反應，可以快速釋放能量；與溶劑分子一起停留在表面的離子層上，這是一種雙電層反應，可以實現稍大的放電功率，但能量較少。

研究人員可以觀察存儲設備放電和再次充電需要多長時間，或者在放電循環開始和結束時測試電極材料，以更好地了解主要的存儲機制。但最近的研究表明，這些儲能機制可能并不總是以有序、離散的反應發生。許多反應以混合或中間機制發生。因此，區分并從根本上了解這些機制，對于提高儲能器件的性能具有重要意義。

通過精確量化和跟蹤電極內的離子，并在其充放電循環過程中進行跟蹤，研究人員可以更好地了解所有發生的反應。重要的是，確定可能阻礙設備性能的寄生副反應。基于這些信息，設計人員可以更好地定制電極材料和電解質，以提高性能并減緩退化。

該團隊的新方法，可以監測儲能設備中離子從電解質到電極的位置和移動。這種方法結合了紫外可見（UV-vis）光譜，通過化合物吸收光的方式確定其化學成分；以及一種測量充放電循環期間電流的方法，稱為循環伏安法（CV）。Danzhen表示：“以前，研究人員使用UV-vis定性區分儲能機制，但從未對氧化還原活性進行量化。新的UV-vis方法可以量化電子轉移數，利用光學信號直接監測電極材料的變化。此外，這種UV-vis方法中的導數計算有助于進一步消除使用傳統電化學表征時的不準確性。

目前這種方法的應用僅限于電極材料的透明度，但研究人員認為，這種方法可能是X射線吸收光譜分析的一種低成本替代方法。研究負責人Yury Gogotsi表示：“從無數種可能性中找出電極材料和電解液的精確組合，需要對所用材料的電化學行為進行快速評估和分類。使用這一方法，有助于發現更好的儲能材料和設備，避免出現失誤。”

該團隊計劃繼續其工作，使用這種方法來測試新的電解液和電極材料組合，并研究更復雜的電化學儲能系統。