理解電化學(xué)儲(chǔ)能器件的工作原理及失效機(jī)制，對(duì)指導(dǎo)高性能器件的開發(fā)具有重要意義。近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員傅強(qiáng)團(tuán)隊(duì)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?jī)?chǔ)能器件發(fā)現(xiàn)，無(wú)水氣氛下，鋁離子電池電極中的陰陽(yáng)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。而在含水氣氛下，環(huán)境中的水分子會(huì)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(guó)化學(xué)會(huì)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(cè)電極和電解質(zhì)，進(jìn)而獲得相關(guān)體相信息。傅強(qiáng)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，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。

長(zhǎng)期以來(lái)，基于XPS、掃描探針顯微鏡等表面科學(xué)研究方法成功用于表面化學(xué)和多相催化，而將表面化學(xué)方法學(xué)用于電池器件等電化學(xué)過(guò)程的研究面臨模型電化學(xué)儲(chǔ)能器件構(gòu)建等挑戰(zhàn)。

為此，團(tuán)隊(duì)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(chǔ)能器件，設(shè)計(jì)并加工系列可以對(duì)模型儲(chǔ)能器件施加電場(chǎng)、改變氣氛、表面表征的樣品臺(tái)和樣品池，利用XPS、原子力顯微鏡、Raman、光學(xué)顯微鏡等對(duì)鋁離子電池的工作過(guò)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(shí)還發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)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(duì)將含水、氧氣、氮?dú)獾炔煌瑲夥辗謩e引入鋁離子電池的工作環(huán)境，通過(guò)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(wú)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)確闡明電池過(guò)程的工作機(jī)制，并揭示了不同氣氛下儲(chǔ)能器件的失效機(jī)制。

與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(chǔ)能體系。傅強(qiáng)表示，未來(lái)，基于氣氛、溫度、外場(chǎng)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)用到二次離子電池、超級(jí)電容器、金屬—氣體電池等體系中的表界面反應(yīng)研究中，闡明這些儲(chǔ)能器件的工作原理和失效機(jī)制。(卜葉)