科学家发展“表面功夫”揭示铝离子电池失效机制

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  了解电化学储能设备的工作原理和故障机制对指导高性能设备的开发具有重要意义。最近，中国科学院大连化学物理研究所研究员傅强改变了铝离子电池设备的工作环境和氛围，并利用了原位X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（Ra ** n）研究发现，在无水气氛中，铝离子电池电极中的阴阳离子重新分布导致电极结构和电子状态的松弛效应，即电池自放电。在含水气氛中，环境中的水分子插入石墨电极层，与层间离子发生水解反应，导致石墨电极电子状态耦合和层级结构退化。相关研究结果发表在《美国化学协会》上。

  目前，研究界被广泛应用X射线衍射、X射线吸收谱、透射镜、核磁共振等表征技术检测电极和电解质，然后获取相关体相信息。傅强说，通过这种方式获得的体相信息大多集中在电极或电解质内部，很难理解表面界面的电化学行为。因此，迫切需要开发原位/工况电化学表面表征方法。

  长期以来，基于XPS、扫描探针显微镜等表面科学研究方法已成功应用于表面化学和多相催化，对电池设备等电化学过程的研究面临着模型电化学储能设备建设的挑战。

  为此，团队突破了表面表示所需的超高真空工作环境和规则开放表面的局限性，建立了基于两维材料电极的模型电化学储能设备，设计和加工了一系列可用于模型储能设备的电场、气氛和表面表示的样品平台和样品池XPS、原子力显微镜、Ra ** n、光学显微镜对铝离子电池的工作过程进行了表征，准确阐述了电池的工作机制，并发现了储能器件电极的表面效应。

  这一次，为了探索铝离子电池气氛下的故障机制，团队将含水量、氧气、氮气等不同气氛引入铝离子电池的工作环境XPS、Ra ** n等表界面研究发现，含水气氛下，电极与水反应发生水解，使组分改变，导致电池失效。而无水气氛下，电极则表现出自发的弛豫、自放电现象。该研究准确阐明电池过程的工作机制，并揭示了不同气氛下储能器件的失效机制。

  与此同时，该团队还将表面界面电化学研究方法扩展到锂离子电池和其他储能系统。傅强表示，未来，基于气氛、温度和外部控制的原位电化学表面表征技术和方法预计将广泛应用于二次离子电池、超级电容器、金属气体电池等系统的表面界面反应研究，阐明这些储能设备的工作原理和故障机制。