原子尺度揭秘：电池内部究竟发生了什么

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院材料科学与工程系教授张英杰（Yingjie Zhang）领导的研究团队，完成了一项针对电化学电池中被广泛认可但常被忽视的方面的首次研究：电池中固-液界面的液体非均匀性。正如研究人员在《美国国家科学院院刊》上报道的那样，显微成像显示这些被称为双电层（EDL）的界面结构，会因固体表面发生的化学沉积而倾向于形成特定构型。

"人们倾向于仅将电化学电池视为具有技术实用性的电池，但其中仍存在大量科学问题有待研究，这些研究将为技术应用提供指导，"张教授研究小组的研究生、该研究的主要作者艾茜（Qian Ai）表示。"在我们的工作中，我们利用三维原子力显微镜仔细检查了双电层，这是一种用于探测微小力的技术。我们首次观测到了表面团簇周围非均匀双电层的分子结构。"

电化学电池利用液态电解质内部的可移动电荷来维持电荷失衡，从而在两个电极之间产生电压差。一百多年前对这些体系的最早研究就揭示了在介导电压差的液态电解质与固态导体之间的界面上存在双电层。它们由电解质在界面处自组织形成纳米厚度的层构成。

过去的研究表明，电池中的固-液界面具有非均质性，表现出空间上变化的化学成分和形态，有时会形成表面团簇。然而，这些研究和建模电化学电池的尝试仅关注于具有平坦均匀表面的模型体系。其结果导致了一个知识空白，阻碍了我们对电化学电池和电池技术的理解。

为了研究非均质界面，该团队使用了专为探测微小力而设计的三维原子力显微镜技术。该方法使他们能够将双电层的非均匀性与表面团簇相关联——这些结构是在电池充电初始阶段发生成核作用形成的。基于数据，研究人员提出了双电层的三种主要响应模式："弯曲"，即双电层似乎围绕团簇发生弯曲；"断裂"，即部分双电层脱离形成新的中间层；以及"重新连接"，即团簇上方的双电层与相邻层以层序偏移的方式重新连接。

"这三种模式具有相当的普适性，"艾茜说道。"这些结构主要源于液态分子的有限尺寸，而非其特定的化学性质。我们应该能够根据固体表面形态预测其他体系的液体结构。"

展望未来，研究人员期待拓展他们的发现。

"这是开创性的，"张教授说。"我们在实际的非均质电化学体系中解析了双电层结构，这是电化学领域的'圣杯'。除了对技术的实际意义，我们正在开始为电化学教科书撰写新的章节。"

Lalith Bonagiri、Kaustubh Panse、Jaehyeon Kim和周山（Shan Zhou）也为这项工作做出了贡献。

研究获得了美国空军科学研究办公室的支持。

张英杰是伊利诺伊大学格兰杰工程学院材料科学与工程系的材料科学与工程助理教授。他是材料研究实验室和贝克曼高等科学技术研究院的附属教员。