全球百事通！德雷塞尔大学阐明电池和超级电容器的电化学储能机制

据外媒报道，德雷塞尔大学（Drexel University）的研究人员开发了一项新技术，可以快速识别在不同成分电池和超级电容器中发生的确切电化学机制。这一突破有助于加快设计高性能储能设备。

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（图片来源：德雷塞尔大学）

该团队结合两种成熟的科学研究方法，一种是通过化合物吸收可见光的能力来确定化合物的组成，另一种是测量电池和超级电容器等储能设备的电流。通过同时进行这些测试，研究人员可以更精确的方式来跟踪设备内的离子转移，从而揭示产生可用电力的复杂电化学过程。

该校研究人员Danzhen Zhang表示，在操作过程中以有意义的方式量化和观察复杂的电化学系统极其困难，挑战在于不可能看到离子（荷电原子粒子）。这些粒子在充电时进入设备，并通过运动产生电流，为设备供电，但是尺寸太小，移动得太快了。

因为无法看到离子如何在电极内部、顶部和之间排列，所以通过合理的设计来最大化储能区并促进离子有序进出，相当具有挑战性。研究人员John Wang表示：“这就像闭着眼睛打开食品储藏室的门，闻一闻里面，是否还有足够的空间再放几罐汤。”

离子在电极上聚集的三种最常见方式是，在其原子层内、表面上或在其表面上的其他离子之上。就电池或超级电容器的性能而言，这些排列方式各有优缺点。嵌入电极材料层可以储存更多的能量；附着和脱离材料表面，称为表面氧化还原反应，可以快速释放能量；与溶剂分子一起停留在表面的离子层上，这是一种双电层反应，可以实现稍大的放电功率，但能量较少。

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，或者在放电循环开始和结束时测试电极材料，以更好地了解主要的存储机制。但最近的研究表明，这些储能机制可能并不总是以有序、离散的反应发生。许多反应以混合或中间机制发生。因此，区分并从根本上了解这些机制，对于提高储能器件的性能具有重要意义。

通过精确量化和跟踪电极内的离子，并在其充放电循环过程中进行跟踪，研究人员可以更好地了解所有发生的反应。重要的是，确定可能阻碍设备性能的寄生副反应。基于这些信息，设计人员可以更好地定制电极材料和电解质，以提高性能并减缓退化。

该团队的新方法，可以监测储能设备中离子从电解质到电极的位置和移动。这种方法结合了紫外可见（UV-vis）光谱，通过化合物吸收光的方式确定其化学成分；以及一种测量充放电循环期间电流的方法，称为循环伏安法（CV）。Danzhen表示：“以前，研究人员使用UV-vis定性区分储能机制，但从未对氧化还原活性进行量化。新的UV-vis方法可以量化电子转移数，利用光学信号直接监测电极材料的变化。此外，这种UV-vis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的不准确性。

目前这种方法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射线吸收光谱分析的一种低成本替代方法。研究负责人Yury Gogotsi表示：“从无数种可能性中找出电极材料和电解液的精确组合，需要对所用材料的电化学行为进行快速评估和分类。使用这一方法，有助于发现更好的储能材料和设备，避免出现失误。”

该团队计划继续其工作，使用这种方法来测试新的电解液和电极材料组合，并研究更复杂的电化学储能系统。

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