原子级秘密：电池内部到底发生了什么
电化学电池（或电池，一个众所周知的例子）是结合了化学、物理、材料科学和电子学的复杂技术。 它们不仅仅是从智能手机到电动汽车等各种产品的电源，而且仍然是科学探究的强大动力，旨在在分子水平上充分了解它们的结构和进化。 由格兰杰工程学院材料科学与工程教授张英杰领导的团队伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校完成了对电化学电池一个广为认可但经常被忽视的方面的首次研究：电池中固液界面处液体的不均匀性。 正如研究人员在《美国国家科学院院刊》上报道的那样，显微成像表明，这些称为双电层 （EDL） 的界面结构倾向于组织成特定的构型以响应化学物质沉积在固体表面。 “人们倾向于将电化学电池视为电池，但仍然有很多科学工作要做，可以为技术应用提供信息，”张研究小组的研究生、该研究的主要作者钱爱说。 “在我们的工作中，我们使用 3D 原子力显微镜仔细检查了 EDL，这是一种旨在感测小力的技术。 我们观察了首次出现围绕地表簇的不均匀 EDL。 电化学电池利用液体电解质内的移动电荷来维持电不平衡，从而在两个端子之间产生电压差。 100 多年前对这些系统的最早研究揭示了液体电解质和固体导体之间界面存在介导电压差的 EDL。 它们由自组织的电解质组成在界面处形成纳米厚的层。 过去的研究表明，电池中的固液界面是异质的，表现出空间上不同的化学成分和形态，有时会形成表面簇。 然而，这些研究和建模电化学电池的尝试仅关注具有平坦且均匀表面的模型系统。 结果是知识差距阻碍了我们对电化学电池和电池技术的理解。 调查异构界面，该团队使用了 3D 原子力显微镜，这是一种旨在感知小力的技术。 这种方法使他们能够将 EDL 的不均匀性与表面簇相关联，表面簇是在电池充电的初始阶段成核的结构。 根据这些数据，研究人员提出了 EDL 中的三个主要响应：“弯曲”，其中各层似乎围绕集群弯曲; “断裂”，其中部分层分离形成新的中间层;以及“重新连接”，其中集群上方的 EDL 层连接到层号偏移的附近层。 “这三种模式非常普遍，”艾未未说。 “这些结构主要是由于液体分子的有限尺寸，而不是它们的特定化学成分。 我们应该能够根据固体的表面形态来预测其他系统的液体结构。 展望未来，研究人员期待扩大他们的发现。 “这是开创性，“张说。 “我们已经在现实的异构电化学系统中解析了 EDL，这是电化学中的圣粒。 除了技术上的实际影响外，我们还开始在电化学教科书中开发新的篇章。 Lalith Bonagiri、Kaustubh Panse、Jaehyeon Kim 和 Shan 周也为这项工作做出了贡献。 支持由空军科学研究办公室提供。 张英杰是伊利诺伊州格兰杰人材料科学与工程系材料科学与工程工程助理教授。 他是材料研究实验室和贝克曼先进科学技术研究所的附属教员。