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據(jù)外媒報道，德雷塞爾大學（Drexel University）的研究人員開發(fā)了一項新技術，可以快速識別在不同成分電池和超級電容器中發(fā)生的確切電化學機制。這一突破有助于加快設計高性能儲能設備。


該團隊結(jié)合兩種成熟的科學研究方法，一種是通過化合物吸收可見光的能力來確定化合物的組成，另一種是測量電池和超級電容器等儲能設備的電流。通過同時進行這些測試，研究人員可以更精確的方式來跟蹤設備內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移，從而揭示產(chǎn)生可用電力的復雜電化學過程。

該校研究人員Danzhen Zhang表示，在操作過程中以有意義的方式量化和觀察復雜的電化學系統(tǒng)極其困難，挑戰(zhàn)在于不可能看到離子（荷電原子粒子）。這些粒子在充電時進入設備，并通過運動產(chǎn)生電流，為設備供電，但是尺寸太小，移動得太快了。

因為無法看到離子如何在電極內(nèi)部、頂部和之間排列，所以通過合理的設計來最大化儲能區(qū)并促進離子有序進出，相當具有挑戰(zhàn)性。研究人員John Wang表示：“這就像閉著眼睛打開食品儲藏室的門，聞一聞里面，是否還有足夠的空間再放幾罐湯。”

離子在電極上聚集的三種最常見方式是，在其原子層內(nèi)、表面上或在其表面上的其他離子之上。就電池或超級電容器的性能而言，這些排列方式各有優(yōu)缺點。嵌入電極材料層可以儲存更多的能量；附著和脫離材料表面，稱為表面氧化還原反應，可以快速釋放能量；與溶劑分子一起停留在表面的離子層上，這是一種雙電層反應，可以實現(xiàn)稍大的放電功率，但能量較少。

研究人員可以觀察存儲設備放電和再次充電需要多長時間，或者在放電循環(huán)開始和結(jié)束時測試電極材料，以更好地了解主要的存儲機制。但最近的研究表明，這些儲能機制可能并不總是以有序、離散的反應發(fā)生。許多反應以混合或中間機制發(fā)生。因此，區(qū)分并從根本上了解這些機制，對于提高儲能器件的性能具有重要意義。

通過精確量化和跟蹤電極內(nèi)的離子，并在其充放電循環(huán)過程中進行跟蹤，研究人員可以更好地了解所有發(fā)生的反應。重要的是，確定可能阻礙設備性能的寄生副反應?；谶@些信息，設計人員可以更好地定制電極材料和電解質(zhì)，以提高性能并減緩退化。

該團隊的新方法，可以監(jiān)測儲能設備中離子從電解質(zhì)到電極的位置和移動。這種方法結(jié)合了紫外可見（UV-vis）光譜，通過化合物吸收光的方式確定其化學成分；以及一種測量充放電循環(huán)期間電流的方法，稱為循環(huán)伏安法（CV）。Danzhen表示：“以前，研究人員使用UV-vis定性區(qū)分儲能機制，但從未對氧化還原活性進行量化。新的UV-vis方法可以量化電子轉(zhuǎn)移數(shù)，利用光學信號直接監(jiān)測電極材料的變化。此外，這種UV-vis方法中的導數(shù)計算有助于進一步消除使用傳統(tǒng)電化學表征時的不準確性。

目前這種方法的應用僅限于電極材料的透明度，但研究人員認為，這種方法可能是X射線吸收光譜分析的一種低成本替代方法。研究負責人Yury Gogotsi表示：“從無數(shù)種可能性中找出電極材料和電解液的精確組合，需要對所用材料的電化學行為進行快速評估和分類。使用這一方法，有助于發(fā)現(xiàn)更好的儲能材料和設備，避免出現(xiàn)失誤。”

該團隊計劃繼續(xù)其工作，使用這種方法來測試新的電解液和電極材料組合，并研究更復雜的電化學儲能系統(tǒng)。

原標題： 德雷塞爾大學闡明電池和超級電容器的電化學儲能機制