科學家發展“表面功夫”揭示鋁離子電池失效機制

中國科學報社制圖

　　理解電化學儲能器件的工作原理及失效機制，對指導高性能器件的開發具有重要意義。近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員傅強團隊調變鋁離子電池器件的工作環境和氣氛，利用原位X射線光電子能譜（XPS）和拉曼光譜（Raman）等研究儲能器件發現，無水氣氛下，鋁離子電池電極中的陰陽離子重新分布導致電極發生結構和電子態的弛豫效應，即電池自放電。而在含水氣氛下，環境中的水分子會插層到石墨電極層間，并與層間離子發生水解反應，導致石墨電極電子態去耦、插層階結構退化。相關研究成果發表在《美國化學會志》上。

　　當前，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檢測電極和電解質，進而獲得相關體相信息。傅強表示，這種方式獲得的體相信息多聚焦電極或電解質內部，很難了解表界面的電化學行為，因此急需發展原位/工況電化學表界面表征方法。

　　長期以來，基于XPS、掃描探針顯微鏡等表面科學研究方法成功用于表面化學和多相催化，而將表面化學方法學用于電池器件等電化學過程的研究面臨模型電化學儲能器件構建等挑戰。

　　為此，團隊突破了表面表征所需的超高真空工作環境和規整開放表面的局限，構建出基于兩維材料電極的模型電化學儲能器件，設計并加工系列可以對模型儲能器件施加電場、改變氣氛、表面表征的樣品臺和樣品池，利用XPS、原子力顯微鏡、Raman、光學顯微鏡等對鋁離子電池的工作過程進行工況表征并準確闡述該電池的工作機制，同時還發現了儲能器件電極的表面效應。

　　此次，為了探究鋁離子電池氣氛下的失效機制，團隊將含水、氧氣、氮氣等不同氣氛分別引入鋁離子電池的工作環境，通過XPS、Raman等表界面研究發現，含水氣氛下，電極與水反應發生水解，使組分改變，導致電池失效。而無水氣氛下，電極則表現出自發的弛豫、自放電現象。該研究準確闡明電池過程的工作機制，并揭示了不同氣氛下儲能器件的失效機制。

　　與此同時，團隊還將表界面電化學研究方法擴展到鋰離子電池等其他儲能體系。傅強表示，未來，基于氣氛、溫度、外場可控的原位電化學表界面表征技術和方法有望廣泛應用到二次離子電池、超級電容器、金屬—氣體電池等體系中的表界面反應研究中，闡明這些儲能器件的工作原理和失效機制。

　　相關論文信息：https://doi.org/ 10.1021/jacs.1c09429