原子级秘密：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带领的研究团队，首次对电化学电池中一个被广泛认可但常被忽视的方面展开研究：电池内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》中报道的，显微成像显示这些被称为双电层（EDLs）的界面结构会因固体表面化学沉积作用而趋向形成特定构型。

"人们倾向于只关注电化学电池作为电池的技术用途，但其实仍有许多基础科学研究能为技术应用提供指导，"张英杰研究组的博士生、该研究第一作者艾倩表示。"我们采用能探测微小力的三维原子力显微镜技术，首次观测到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中的可移动电荷维持电势差，从而在两个终端之间产生电压。一百多年前对这些体系的最早研究就揭示了液态电解质与作为电势差介质的固体导体之间存在双电层。这些电解质在界面处自组织形成纳米厚度的分层结构。

既往研究表明电池中的固液界面具有非均质性，会呈现空间变化的化学成分和形貌特征，有时会形成表面团簇。但以往对电化学电池的研究和建模仅聚焦于表面平整均匀的模型系统。这种认知缺口阻碍了我们对电化学电池及电池技术的理解。

为研究非均质界面，团队采用了可探测微小力的三维原子力显微镜技术。该方法使他们能将双电层非均匀性与表面团簇（电池充电初期形成的成核结构）相关联。基于数据，研究人员提出双电层的三种主要响应模式："弯曲"（层状结构围绕团簇弯曲）、"断裂"（部分层状结构分离形成新的中间层）以及"重连"（团簇上方的双电层与邻近层以错位方式连接）。

"这三种模式具有普适性，"艾倩指出。"这些结构主要源于液体分子的有限尺寸，而非其特定化学性质。我们应该能根据固体表面形貌预测其他体系的液体结构。"

展望未来，研究人员期待拓展这些发现。

"这是突破性的，"张英杰表示。"我们解析了真实非均相电化学体系中的双电层结构，这是电化学领域的圣杯。除了技术应用价值，我们正在为电化学教科书撰写新章节。"

Lalith Bonagiri、Kaustubh Panse、Jaehyeon Kim和周山也为本研究作出贡献。

<贡献。

研究获得美国空军科学研究办公室资助。

张英杰现任伊利诺伊大学格兰杰工程学院材料科学与工程系助理教授，同时担任材料研究实验室和贝克曼高等科学技术研究所的附属教员。