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據(jù)外媒報(bào)道，德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）的研究人員開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，可以快速識(shí)別在不同成分電池和超級(jí)電容器中發(fā)生的確切電化學(xué)機(jī)制。這一突破有助于加快設(shè)計(jì)高性能儲(chǔ)能設(shè)備。


該團(tuán)隊(duì)結(jié)合兩種成熟的科學(xué)研究方法，一種是通過(guò)化合物吸收可見(jiàn)光的能力來(lái)確定化合物的組成，另一種是測(cè)量電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能設(shè)備的電流。通過(guò)同時(shí)進(jìn)行這些測(cè)試，研究人員可以更精確的方式來(lái)跟蹤設(shè)備內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移，從而揭示產(chǎn)生可用電力的復(fù)雜電化學(xué)過(guò)程。

該校研究人員Danzhen Zhang表示，在操作過(guò)程中以有意義的方式量化和觀察復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)極其困難，挑戰(zhàn)在于不可能看到離子（荷電原子粒子）。這些粒子在充電時(shí)進(jìn)入設(shè)備，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，為設(shè)備供電，但是尺寸太小，移動(dòng)得太快了。

因?yàn)闊o(wú)法看到離子如何在電極內(nèi)部、頂部和之間排列，所以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)來(lái)最大化儲(chǔ)能區(qū)并促進(jìn)離子有序進(jìn)出，相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。研究人員John Wang表示：“這就像閉著眼睛打開(kāi)食品儲(chǔ)藏室的門(mén)，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(jiàn)方式是，在其原子層內(nèi)、表面上或在其表面上的其他離子之上。就電池或超級(jí)電容器的性能而言，這些排列方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。嵌入電極材料層可以?xún)?chǔ)存更多的能量；附著和脫離材料表面，稱(chēng)為表面氧化還原反應(yīng)，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(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)稍大的放電功率，但能量較少。

研究人員可以觀察存儲(chǔ)設(shè)備放電和再次充電需要多長(zhǎng)時(shí)間，或者在放電循環(huán)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)測(cè)試電極材料，以更好地了解主要的存儲(chǔ)機(jī)制。但最近的研究表明，這些儲(chǔ)能機(jī)制可能并不總是以有序、離散的反應(yīng)發(fā)生。許多反應(yīng)以混合或中間機(jī)制發(fā)生。因此，區(qū)分并從根本上了解這些機(jī)制，對(duì)于提高儲(chǔ)能器件的性能具有重要意義。

通過(guò)精確量化和跟蹤電極內(nèi)的離子，并在其充放電循環(huán)過(guò)程中進(jìn)行跟蹤，研究人員可以更好地了解所有發(fā)生的反應(yīng)。重要的是，確定可能阻礙設(shè)備性能的寄生副反應(yīng)?；谶@些信息，設(shè)計(jì)人員可以更好地定制電極材料和電解質(zhì)，以提高性能并減緩?fù)嘶?br />
該團(tuán)隊(duì)的新方法，可以監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能設(shè)備中離子從電解質(zhì)到電極的位置和移動(dòng)。這種方法結(jié)合了紫外可見(jiàn)（UV-vis）光譜，通過(guò)化合物吸收光的方式確定其化學(xué)成分；以及一種測(cè)量充放電循環(huán)期間電流的方法，稱(chēng)為循環(huán)伏安法（CV）。Danzhen表示：“以前，研究人員使用UV-vis定性區(qū)分儲(chǔ)能機(jī)制，但從未對(duì)氧化還原活性進(jìn)行量化。新的UV-vis方法可以量化電子轉(zhuǎn)移數(shù)，利用光學(xué)信號(hào)直接監(jiān)測(cè)電極材料的變化。此外，這種UV-vis方法中的導(dǎo)數(shù)計(jì)算有助于進(jìn)一步消除使用傳統(tǒng)電化學(xué)表征時(shí)的不準(zhǔn)確性。

目前這種方法的應(yīng)用僅限于電極材料的透明度，但研究人員認(rèn)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(fù)責(zé)人Yury Gogotsi表示：“從無(wú)數(shù)種可能性中找出電極材料和電解液的精確組合，需要對(duì)所用材料的電化學(xué)行為進(jìn)行快速評(píng)估和分類(lèi)。使用這一方法，有助于發(fā)現(xiàn)更好的儲(chǔ)能材料和設(shè)備，避免出現(xiàn)失誤。”

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)其工作，使用這種方法來(lái)測(cè)試新的電解液和電極材料組合，并研究更復(fù)雜的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

原標(biāo)題： 德雷塞爾大學(xué)闡明電池和超級(jí)電容器的電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)制