了解为什么某些材料在储能方面比其他材料效果更好，是开发为电子设备、电动汽车和可再生能源电网提供动力的电池的关键一步。德雷塞尔大学的研究人员开发了一种新技术，可以快速识别各种成分的电池和超级电容器中发生的确切电化学机制 - 这一突破可以加速更高性能储能设备的设计。

据《自然能源》报道，德雷克塞尔团队的方法结合了两种成熟的科学研究程序，一种用于通过吸收可见光的能力来确定化合物的组成，另一种用于测量储能设备(如电池和超级电容器)的电流。

通过同时运行这些测试，研究人员已经实现了一种更精确的方法来跟踪设备内离子的转移 - 揭示了控制可用功率产生的复杂电化学过程。

获得更好的外观

“尽管几十年来它一直是一个研究良好的领域，但我们仍然没有完全了解各种储能系统中电化学过程的机制，”德雷克塞尔工程学院材料科学与工程系的博士生Danzhen Zhang说。

“虽然我们对所涉及的电化学反应有概念上的理解，但在操作过程中以有意义的方式量化和观察这些复杂的电化学系统是非常困难的，并且仍然是一个正在进行的研究领域。

挑战在于，实际上不可能看到离子 - 带电的原子粒子在充电时包装在设备中，其运动产生电流，使其能够为设备供电。它们太小了，移动得太快了。研究人员能做的最好的事情就是依靠指示它们可能存在位置的信号——一种低分辨率的原子雷达——向它们发射粒子并记录反弹的东西。

如果无法看到离子如何在称为电极的装置的能量存储室内部，顶部和之间排列，那么正确设计它们以最大化能量存储面积并促进离子有序进出可能非常具有挑战性。

“这就像闭着眼睛打开你的储藏室门，在里面嗅一闻，以确定你是否有足够的空间再喝几罐汤，”工程学院博士后研究助理John Wang博士说。

“目前，进行直接测量和观察储能设备的性能仍然具有挑战性。如果我们能很好地观察原子结构，这样我们就知道离子将如何以及在哪里适合，那就更好了——那么也许我们可以设计一个可以容纳更多离子的结构。我们相信，我们创造的方法将使我们能够进行这些测量和调整。

努力融入

离子在电极上组装的三种最常见方式是在其原子层内，在其表面或在其表面上已有的其他离子之上。

在电池或超级电容器性能方面，这些布置中的每一种都有优点和缺点。进入或插入电极材料的层可以存储更多的离子 - 能量。附着和分离到材料表面，称为表面氧化还原反应，可以快速释放能量。并且将溶剂分子栖息在表面上的离子层上，双电层反应允许稍大的功率放电，但能量更少。

研究人员可以观察存储设备放电和再次充电需要多长时间，或者在放电周期的开始和结束时测试电极材料，以很好地了解主要的存储机制。

一个令人不安的秘密

但最近的研究表明，这些能量储存机制可能并不总是以有序的离散反应形式发生。混合或中间机制会发生许多反应。因此，准确区分它们并从根本上理解它们对于提高储能设备的性能非常重要。

能够精确地量化和跟踪电极内的离子，并在其充放电循环过程中跟踪它们，将使研究人员更好地了解发生的所有反应，重要的是，识别可能阻碍器件性能的寄生副反应。

有了这些信息，设计人员可以更好地定制电极材料和电解质，以提高性能并限制降解。

一个启发性的组合

Drexel团队的新方法提供了一种监测能量存储设备中离子从电解质到电极的位置和运动的方法。他们的方法结合了紫外可见(UV-vis)光谱学 - 一种通过如何吸收光来确定化合物化学成分的方法 - 以及测量充放电循环期间电流的方法，称为循环伏安法(CV)。

当该小组使用紫外-可见光谱观察一系列电极电解质系统的纳米材料薄膜中的电化学相互作用时，他们的突破就出现了。虽然紫外-可见光谱传统上没有以这种方式使用，但所研究的电极材料非常薄，透明，这使得紫外-可见光谱能够表征其在充电和放电过程中的电化学变化。

为了验证他们的初步发现，研究小组使用紫外可见分光度光以与电化学反应相同的间隔记录光谱数据。在这个过程中，他们意识到可以将可视紫外-可见光谱数据与电流的CV测量同步，这将消除笼罩在他们试图量化的电化学行为的不确定性水平。

通过关联来自两种方法的信号，研究人员不仅可以确定特定反应何时发生，还可以确定反应过程中转移了多少电子 - 这是发生哪种电化学机制的关键指标。

为了将结果联系起来，该团队将紫外可见光数据绘制在带有CV测量值的图表上，创建了一个称为“紫外可见光CV”曲线的图。每种电化学机制——无论是氧化还原、部分氧化还原还是双电层——都绘制成一条独特的曲线，因为电子转移改变了光通过材料的方式，以及改变其电流的方式。

例如，以大致矩形绘制的线表示正在发生双层电充电，而具有尖锐峰值的曲线表示正在发生氧化还原反应。

他们写道：“'UV-vis CV'曲线使我们能够识别光谱变化与电化学过程之间的相关性，从而促进双电层，赝电容和基于插层的电池型氧化还原过程的区分。“此外，校准赝电容系统中的氧化态变化能够量化反应过程中转移的电子数量，类似于原位同步加速器X射线吸收光谱。

锐化图像

根据Danzhen的说法，这种相关性为团队提供了足够的信息，以了解电极材料的电子结构在循环过程中如何变化。这比目前使用的更昂贵和耗时的方法(如X射线吸收或电子能量损失光谱)记录的测量更精确。

“通过精确匹配或交叉引用这些测量值，我们可以消除寄生反应的影响，并使我们的定量结果更加准确，”Danzhen说。

通过测试其方法，该团队随后能够确认一个假设，即控制盐包水电解质和薄膜电极之间相互作用的机制，由二维分层纳米材料制成，称为MXene，在Drexel发现和研究，是一种双层电层充电过程。

“以前，研究人员使用紫外可见分光度法定性区分储能机制，但从未量化氧化还原活性，”Danzhen说。“我们用于量化电子转移数的紫外-可见分光度法通过利用光信号直接监测电极材料的变化，有效地消除了这种效应。此外，紫外-可见分光光度计方法中的导数计算有助于进一步消除使用传统电化学表征时遇到的不准确性。

更清晰的前进道路

虽然它目前的应用仅限于电极材料的透明度，但研究人员认为，这种方法可能是X射线吸收光谱的低成本替代品 - 其设备成本可能超过1万美元。他们指出，它可以促进储能，电容水去离子，电化学驱动和能量收集材料的开发。

“从无数的可能性中识别电极材料和电解质的精确组合需要对所用材料的电化学行为进行快速评估和分类，”杰出大学和巴赫教授Yury Gogotsi博士说。

“我们的方法提供了一种有效的过程，使用现成的设备，可以快速准确地对材料如何与电化学系统中的离子相互作用进行分类。利用这一点来规划我们走向更好的储能材料和设备的道路，可以帮助避免任何数量的失误。

该团队计划继续其工作，使用其方法来测试电解质和电极材料的新组合，并研究更复杂的电化学储能系统。