Секреты атомного масштаба: что на самом деле происходит внутри батарей
Электрохимические элементы, включая знакомые всем батареи, объединяют достижения химии, физики, материаловедения и электроники, снабжая энергией широкий спектр устройств — от мобильных гаджетов до транспортных средств. Одновременно они выступают катализатором глубоких научных исследований, нацеленных на детальное понимание их внутренней структуры и молекулярных изменений, пишет ScienceDaily.
Ученые Инженерного колледжа Грейнджера при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне завершили фундаментальное исследование одного важного, но ранее недостаточно изученного свойства электрохимических элементов: неоднородности жидкости на границах ее раздела с твердым телом. Микроскопические снимки показывают, что межфазные структуры, именуемые двойными электрическими слоями (ДЭС), демонстрируют определенную организацию конфигураций в ответ на осаждение химических соединений на поверхность твердых тел.
Электрохимические ячейки используют подвижные заряды внутри жидких электролитов для поддержания электрического дисбаланса, который приводит к возникновению разности потенциалов между двумя выводами. Еще сто лет назад ученые обнаружили существование ДЭС на границе жидкого электролита и твердого проводника, обеспечивающих разницу потенциалов. Эти слои формируются электролитами, упорядочивающимися в тонкую пленку толщиной порядка нескольких нанометров на границе сред.
Ранее проведенные эксперименты показали, что границы раздела твердой и жидкой фаз в аккумуляторах неоднородны, характеризуются пространственной изменчивостью химического состава и морфологии, иногда образуя поверхностные кластеры. Но все предыдущие попытки изучения и моделирования электрохимических ячеек были сосредоточены только на модельных системах с плоскими и однородными поверхностями. В результате возник пробел в знаниях, затрудняющий понимание электрохимических ячеек и технологии аккумуляторов.
Используя трехмерную атомно-силовую микроскопию, направленную на регистрацию слабых взаимодействий, ученые смогли зафиксировать взаимосвязь неоднородности ДЭС с расположением поверхностных скоплений, возникающих на ранних стадиях заряда аккумулятора. Исследование позволило выявить 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, сдвигая порядок расположения.
«Это настоящий прорыв. Впервые мы подробно проанализировали структуру ДЭС в реальных гетерогенных электрохимических системах, что стало важным вкладом в развитие науки. Достижение открывает перспективы как для технологического прогресса, так и для обновления теоретических основ электрохимии», — заключают авторы исследования.
Ранее ученые представили новый материал для улучшения компьютерной памяти.
