理解電化學(xué)儲(chǔ)能器件的工作原理及失效機(jī)制，對(duì)指導(dǎo)高性能器件的開發(fā)具有重要意義。當(dāng)前，研究界廣泛使用X-射線衍射、X-射線吸收譜、透射電鏡和核磁共振等表征技術(shù)檢測(cè)電極和電解質(zhì)，進(jìn)而獲得相關(guān)體相信息。然而這種方式獲得的體相信息多聚焦電極或電解質(zhì)內(nèi)部，很難了解表界面的電化學(xué)行為，因此亟需發(fā)展原位/工況電化學(xué)表界面表征方法。

長(zhǎng)期以來，XPS、掃描探針顯微鏡(SPM)等表面科學(xué)研究方法成功用于表面化學(xué)和多相催化的研究，而將表面化學(xué)方法學(xué)用于電池器件等電化學(xué)過程的研究面臨巨大挑戰(zhàn)，首當(dāng)其沖的就是模型電化學(xué)儲(chǔ)能器件的構(gòu)建和原位表界面表征的實(shí)現(xiàn)。

本工作中，該團(tuán)隊(duì)在前期工作基礎(chǔ)上(Natl. Sci. Rev.，2021)，突破了表面表征所需的超高真空工作環(huán)境和規(guī)整開放表面的局限，構(gòu)建出基于兩維材料電極的模型電化學(xué)儲(chǔ)能器件，設(shè)計(jì)并加工系列可以對(duì)模型儲(chǔ)能器件施加電場(chǎng)、改變氣氛、表面表征的樣品臺(tái)和樣品池，利用XPS、原子力顯微鏡(AFM)、Raman、光學(xué)顯微鏡等對(duì)鋁離子電池的工作過程進(jìn)行工況表征并準(zhǔn)確闡述該電池的工作機(jī)制，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)能器件電極的表面效應(yīng)。

為了探究鋁離子電池氣氛下的失效機(jī)制，團(tuán)隊(duì)將含水、氧氣、氮?dú)獾炔煌瑲夥辗謩e引入鋁離子電池的工作環(huán)境，通過XPS、Raman等表界面研究發(fā)現(xiàn)，含水氣氛下，電極與水發(fā)生水解反應(yīng)，使組分改變，導(dǎo)致電池失效。而無水氣氛下，電極表現(xiàn)出自發(fā)的弛豫現(xiàn)象。該研究準(zhǔn)確闡明電池的工作機(jī)制，并揭示了不同氣氛下的電池器件失效機(jī)制。

與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還將表界面電化學(xué)研究方法擴(kuò)展到鋰電池等其他儲(chǔ)能體系(J. Energ. Chem.，2021)。未來，基于氣氛、溫度、外場(chǎng)可控的原位電化學(xué)表界面表征技術(shù)和方法有望廣泛研究二次離子電池、超級(jí)電容器、金屬—氣體電池等體系中的表界面反應(yīng)，闡明這些重要能源器件和過程中的工作原理和失效機(jī)制。

相關(guān)研究成果以“In Situ Visualization of Atmosphere-Dependent Relaxation and Failure in Energy Storage Electrodes”為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society)上。該工作的第一作者是我所502組博士研究生王超。上述研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)中心和杰出青年基金項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、遼寧省“興遼計(jì)劃”、所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。