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我所基于表界面电化学研究揭示储能器件失效机制

  近日,我所催化基础国家重点实验室纳米与界面催化研究组(502组)傅强研究员团队通过调变铝离子电池器件的工作环境和气氛,利用原位X-射线光电子能谱(XPS)和Raman等表界面表征方法研究储能器件过程发现,无水气氛下,电极中的插层阴阳离子重新分布导致器件发生结构和电子态的弛豫;而在含水气氛下,环境中的水分子会插层到石墨电极层间,并与层间插层离子发生水解反应,导致石墨电极电子态去耦、插层阶结构退化。

  理解电化学储能器件的工作原理及失效机制,对引导高性能器件的开发具有重要意义。当前,研究界广泛使用X-射线衍射、X-射线吸取谱、透射电镜和核磁共振等表征技术检测电极和电解质,进而获得相关体相信息。然而这种方式获得的体相信息多聚焦电极或电解质内部,很难了解表界面的电化学行为,因此亟需发展原位/工况电化学表界面表征方法。

  长期以来,XPS、扫描探针显微镜(SPM)等表面科学研究方法成功用于表面化学和多相催化的研究,而将表面化学方法学用于电池器件等电化学过程的研究面临巨大挑战,首当其冲的就是模型电化学储能器件的构建和原位表界面表征的实现。

  本工作中,该团队在前期工作基础上(Natl. Sci. Rev.,2021),突破了表面表征所需的超高真空工作环境和规整开放表面的局限,构建出基于两维材料电极的模型电化学储能器件,设计并加工系列可以对模型储能器件施加电场、改变气氛、表面表征的样品台和样品池,利用XPS、原子力显微镜(AFM)、Raman、光学显微镜等对铝离子电池的工作过程进行工况表征并准确阐述该电池的工作机制,同时还发现了储能器件电极的表面效应。

  为了探究铝离子电池气氛下的失效机制,团队将含水、氧气、氮气等不同气氛分别引入铝离子电池的工作环境,通过XPS、Raman等表界面研究发现,含水气氛下,电极与水发生水解反应,使组分改变,导致电池失效。而无水气氛下,电极表现出自发的弛豫现象。该研究准确阐明电池的工作机制,并揭示了不同气氛下的电池器件失效机制。

  与此同时,团队还将表界面电化学研究方法扩展到锂电池等其他储能体系(J. Energ. Chem.,2021)。未来,基于气氛、温度、外场可控的原位电化学表界面表征技术和方法有望广泛研究二次离子电池、超级电容器、金属—气体电池等体系中的表界面反应,阐明这些重要能源器件和过程中的工作原理和失效机制。

  相关研究成果以“In Situ Visualization of Atmosphere-Dependent Relaxation and Failure in Energy Storage Electrodes”为题,发表在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上。该工作的第一编辑是我所502组博士研究生王超。上述研究得到国家自然科学基金科学中心和杰出青年基金项目、科技部重点研发项目、中科院B类先导专项“能源化学转化的本质与调控”、辽宁省“兴辽计划”、所创新基金等项目的支撑。(文/图 王超、李诗文)

  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c09429

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