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了解电化学储能器件的工作原理和失效机理，对指导高性能器件的发展具有重要意义。近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员付强对铝离子电池器件的工作环境和气氛进行了调制，并利用原位X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱对储能器件进行了研究。研究发现，在无水气氛下，铝离子电池电极中阴离子和阳离子的重新分布导致电极结构和电子态的弛豫效应，即电池自放电。但在含水气氛中，环境中的水分子会嵌入石墨电极的层间，与层间离子发生水解反应，导致石墨电极的电子态解耦和插层阶段结构退化。相关研究成果发表于《美国化学会志》。
目前，X射线衍射、X射线吸收光谱、透射电子显微镜和核磁共振等表征技术被广泛应用于研究领域，用于检测电极和电解质，进而获得相关的相位信息。付强说，这种方式获得的体相信息集中在电极或电解液内部，难以理解表面界面的电化学行为，因此迫切需要开发一种原位/工作电化学表面界面表征方法。
长期以来，基于XPS和扫描探针显微镜的表面科学研究方法已成功应用于表面化学和多相催化领域。然而，表面化学方法在诸如电池装置的电化学过程中的应用面临着诸如构建模型电化学能量存储装置的挑战。
为此，团队突破了表面表征所需的超高真空工作环境和规则开放表面的限制，搭建了基于二维材料电极的模型电化学储能装置，设计加工了一系列可对模型储能装置施加电场、改变气氛和表面表征的样品台和样品池，利用XPS、原子力显微镜、拉曼、光学显微镜等对铝离子电池的工作过程进行了表征， 并准确解释了电池的工作机理，还发现了储能装置电极的表面效应。
这次，为了探索铝离子电池气氛的失效机理，团队在铝离子电池的工作环境中分别引入了水、氧、氮等不同的气氛。通过XPS、拉曼等表面和界面研究发现，在含水气氛中，电极与水发生反应并水解，改变了成分，导致电池失效。然而，在无水气氛中，电极表现出自发弛豫和自放电。该研究准确阐明了电池过程的工作机理，揭示了储能装置在不同气氛下的失效机理。
同时，该团队还将表面-界面电化学的研究方法扩展到锂离子电池等其他储能系统。付强表示，未来，基于可控气氛、温度和外场的原位电化学表面表征技术和方法有望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反应研究，并阐述了这些储能器件的工作原理和失效机理。(不夜)
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来源：中国科学杂志
