儲能器件的原位表界面表征。中國科學(xué)報社制圖

　　理解電化學(xué)儲能器件的工作原理及失效機(jī)制，對指導(dǎo)高性能器件的開發(fā)具有重要意義。近日，中科院大連化學(xué)物理研究所研究員傅強團(tuán)隊調(diào)變鋁離子電池器件的工作環(huán)境和氣氛，利用原位X射線光電子能譜（XPS）和拉曼光譜（Raman）等研究儲能器件發(fā)現(xiàn)，無水氣氛下，鋁離子電池電極中的陰陽離子重新分布導(dǎo)致電極發(fā)生結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的弛豫效應(yīng)，即電池自放電；而含水氣氛下，環(huán)境中的水分子會插層到石墨電極層間，并與層間離子發(fā)生水解反應(yīng)，導(dǎo)致石墨電極電子態(tài)去耦、插層階結(jié)構(gòu)退化。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》上。

　　當(dāng)前，研究界廣泛使用X射線衍射、X射線吸收譜、透射電鏡和核磁共振等表征技術(shù)檢測電極和電解質(zhì)，進(jìn)而獲得相關(guān)體相信息。傅強表示，這種方式獲得的體相信息多聚焦電極或電解質(zhì)內(nèi)部，使人很難了解表界面的電化學(xué)行為，因此急需發(fā)展原位/工況電化學(xué)表界面表征方法。

　　團(tuán)隊突破了表面表征所需的超高真空工作環(huán)境和規(guī)整開放表面的局限，構(gòu)建出基于兩維材料電極的模型電化學(xué)儲能器件，設(shè)計并加工系列可以對模型儲能器件施加電場、改變氣氛、表面表征的樣品臺和樣品池，對鋁離子電池的工作過程進(jìn)行工況表征并準(zhǔn)確闡述該電池的工作機(jī)制，同時還發(fā)現(xiàn)了儲能器件電極的表面效應(yīng)。

　　此次，為了探究鋁離子電池氣氛下的失效機(jī)制，團(tuán)隊將含水、氧氣、氮氣等不同氣氛分別引入鋁離子電池的工作環(huán)境，通過XPS、Raman等表界面研究發(fā)現(xiàn)，含水氣氛下，電極與水反應(yīng)發(fā)生水解，使組分改變，導(dǎo)致電池失效。而無水氣氛下，電極則表現(xiàn)出自發(fā)的弛豫、自放電現(xiàn)象。該研究準(zhǔn)確闡明了電池過程的工作機(jī)制，并揭示了不同氣氛下儲能器件的失效機(jī)制。

　　與此同時，團(tuán)隊還將表界面電化學(xué)研究方法擴(kuò)展到鋰離子電池等其他儲能體系。傅強表示，未來，基于氣氛、溫度、外場可控的原位電化學(xué)表界面表征技術(shù)和方法有望廣泛應(yīng)用于二次離子電池、超級電容器、金屬—氣體電池等體系的表界面反應(yīng)研究中，闡明這些儲能器件的工作原理和失效機(jī)制。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.1c09429