С помощью трехмерной атомно-силовой микроскопии исследователям удалось разгадать загадку необычного слоя внутри аккумуляторов. Они проанализировали динамику молекулярных структур на границе твердого тела и жидкости. Рассмотрим, к каким выводам пришли специалисты.
Электрохимические устройства, включая известные батареи, сочетают в себе достижения химии, физики, материаловедения и электроники, обеспечивая энергией разнообразные устройства — от мобильных гаджетов до транспортных средств. В то же время они становятся катализатором для глубоких научных исследований, направленных на детальное понимание их внутренней структуры и молекулярных изменений, как сообщает ScienceDaily.
Исследователи Инженерного колледжа Грейнджера при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне завершили основательное исследование одного важного, но ранее недостаточно изученного свойства электрохимических элементов: неоднородности жидкости на границах ее раздела с твердым телом. Микроскопические изображения показывают, что межфазные структуры, называемые двойными электрическими слоями (ДЭС), демонстрируют определенную организацию конфигураций в ответ на осаждение химических соединений на поверхности твердых тел.
Электрохимические ячейки используют подвижные заряды в жидких электролитах для поддержания электрического дисбаланса, что приводит к возникновению разности потенциалов между двумя выводами. Еще сто лет назад ученые установили наличие ДЭС на границе жидкого электролита и твердого проводника, которые обеспечивают разницу потенциалов. Эти слои формируются электролитами, упорядочивающимися в тонкую пленку толщиной порядка нескольких нанометров на границе сред.
Проведенные ранее эксперименты показали, что границы раздела твердой и жидкой фаз в аккумуляторах неоднородны, характеризуются пространственной изменчивостью химического состава и морфологии, иногда формируя поверхностные кластеры. Но все предыдущие попытки изучения и моделирования электрохимических ячеек сосредоточились лишь на модельных системах с плоскими и однородными поверхностями. Это привело к образованию пробела в знаниях, затрудняющего понимание электрохимических ячеек и технологий аккумуляторов.
Используя трехмерную атомно-силовую микроскопию, ориентированную на регистрацию слабых взаимодействий, ученые смогли задокументировать взаимосвязь неоднородности ДЭС с расположением поверхностных скоплений, возникающих на ранних этапах зарядки аккумулятора. Исследование выявило три основных сценария поведения ДЭС. Первый — «искривление», при котором слои изгибаются вокруг кластеров. Второй — «расщепление», сопровождающееся разрывом частей слоя и образованием новых уровней. Третий — «перестройка», когда слой над кластером соединяется с соседними слоями, изменяя порядок расположения.
«Это настоящий прорыв. Впервые мы подробно проанализировали структуру ДЭС в реальных гетерогенных электрохимических системах, что стало значительным вкладом в развитие науки. Это достижение открывает новые горизонты как для технологического прогресса, так и для обновления теоретических основ электрохимии», — подводят итог авторы исследования.
Фото: hi-tech.mail.ru
