Учёные раскрыли атомные секреты работы батарей

Прорывные исследования показали поведение невидимых жидких слоёв внутри батарей, что может привести к созданию более умных и эффективных энерготехнологий. Фото: AI/ScienceDaily.com

Электрохимические элементы, такие как батареи, представляют собой сложные технологии, сочетающие химию, физику, материаловедение и электронику. Они являются не просто источниками питания для смартфонов и электромобилей, но и важным объектом научных исследований, направленных на понимание их структуры и эволюции на молекулярном уровне.

Команда под руководством профессора материаловедения и инженерии Инженерного колледжа Грейнджера Университета Иллинойса Инцзе Чжана впервые исследовала малоизученный аспект электрохимических элементов — неоднородность жидкости на границе раздела твёрдого тела и жидкости. Как сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences, микроскопическая визуализация показала, что эти структуры, называемые электрическими двойными слоями (EDL), организуются в определённые конфигурации в ответ на химическое осаждение на поверхности твёрдого тела.

«Часто электрохимические элементы рассматривают только с точки зрения их технологической полезности как батарей, но в них ещё много научных загадок, которые помогут улучшить приложения», — сказал Цянь Ай, аспирант исследовательской группы Чжана и ведущий автор исследования. «В нашей работе мы тщательно изучили EDL с помощью 3D атомно-силовой микроскопии, метода, предназначенного для измерения малых сил. Впервые мы наблюдали молекулярную структуру неоднородных EDL вокруг поверхностных кластеров».

Электрохимические элементы используют подвижные заряды в жидких электролитах для поддержания электрического дисбаланса, создающего разность потенциалов между двумя электродами. Первые исследования этих систем более 100 лет назад выявили существование EDL на границе раздела жидкого электролита и твёрдого проводника. Они состоят из электролитов, самоорганизующихся в нанометровые слои на границе.

Предыдущие работы показали, что границы раздела в батареях неоднородны, демонстрируя пространственно изменяющийся химический состав и морфологию, иногда образуя поверхностные кластеры. Однако попытки изучить и смоделировать электрохимические элементы ограничивались модельными системами с плоскими и однородными поверхностями. Это создало пробел в знаниях, препятствующий пониманию работы батарей.

Для исследования неоднородных границ команда использовала 3D атомно-силовую микроскопию. Этот метод позволил им связать неоднородность EDL с поверхностными кластерами — структурами, образующимися на начальных этапах зарядки батареи. На основе данных исследователи выделили три основных типа поведения EDL:

• «изгиб» — слои изгибаются вокруг кластера;
• «разрыв» — части слоёв отделяются, образуя новые промежуточные слои;
• «переподключение» — слой EDL над кластером соединяется с соседним слоем со смещением.

«Эти три паттерна довольно универсальны», — отметил Ай. «Структуры обусловлены конечным размером молекул жидкости, а не их химией. Мы можем предсказать структуру жидкости на основе морфологии поверхности твёрдого тела и в других системах».

В будущем исследователи планируют расширить свои открытия.

«Это прорыв», — заявил Чжан. «Мы раскрыли структуру EDL в реалистичных, неоднородных электрохимических системах, что является „святым Граалем“ электрохимии. Помимо практических приложений, мы начинаем писать новые главы в учебниках по электрохимии».

В работе также участвовали Лалит Бонагири, Каустубх Пансе, Джэхён Ким и Шань Чжоу. Исследование поддержано Управлением научных исследований ВВС США.