Команда, возглавляемая Инцзе Чжан, профессором материаловедения и инженерии в Инженерном колледже Грейнджер при Университете Иллинойса Урбана-Шампейн, завершила первое исследование широко признанного, но часто упускаемого из виду аспекта электрохимических элементов: неоднородности жидкости на границе раздела твердое тело-жидкость в элементах.. Как сообщили исследователи в Proceedings of the National Academy of Sciences, микроскопическое изображение показало, что эти межфазные структуры, называемые электрическими двойными слоями (EDL), имеют тенденцию организовываться в определенные конфигурации в ответ на химическое осаждение на поверхности твердого тела.

"Существует тенденция думать об электрохимических элементах только из-за их технологической полезности в качестве батарей, но над ними еще предстоит проделать большую научную работу, которая послужит основой для технологических применений", - сказал Цянь Ай, аспирант исследовательской группы Чжана и ведущий автор исследования. "В нашей работе мы тщательно исследовали EDLS с помощью трехмерной атомно-силовой микроскопии - метода, предназначенного для определения малых сил. Мы впервые наблюдали молекулярную структуру неоднородных EDL, окружающих поверхностные кластеры".

Электрохимические элементы используют преимущества подвижных зарядов внутри жидких электролитов для поддержания электрического дисбаланса, который приводит к разнице напряжений между двумя клеммами. Самые ранние исследования этих систем, проведенные более 100 лет назад, выявили существование EDL на границе раздела между жидким электролитом и твердым проводником, опосредующих разность напряжений. Они состоят из электролитов, самоорганизующихся в слои нанометровой толщины на границе раздела.

Прошлые работы показали, что границы раздела твердое тело-жидкость в батареях неоднородны, проявляя пространственно различающийся химический состав и морфологию, иногда образуя поверхностные кластеры. Однако эти попытки изучить и смоделировать электрохимические элементы были сосредоточены только на модельных системах с плоскими и однородными поверхностями. Результатом является пробел в знаниях, который препятствует нашему пониманию электрохимических элементов и технологии аккумуляторных батарей.

Чтобы исследовать гетерогенные интерфейсы, команда использовала трехмерную атомно-силовую микроскопию - метод, предназначенный для определения малых сил. Этот метод позволил им соотнести неоднородность в EDL с поверхностными кластерами, структурами, которые зарождаются на начальных стадиях зарядки аккумулятора. Основываясь на полученных данных, исследователи предложили три основные реакции в EDL: "изгиб", при котором слои, по-видимому, изгибаются вокруг кластера; "разрыв", при котором части слоев отделяются, образуя новые промежуточные слои; и "повторное соединение", при котором слой EDL над кластером подключается к соседнему слою со смещением в номере слоя.

"Эти три паттерна довольно универсальны", - сказал Ай. "Эти структуры в основном обусловлены конечным размером молекул жидкости, а не их специфическим химическим составом. Мы должны быть в состоянии предсказать структуру жидкости на основе морфологии поверхности твердого тела для других систем".

В дальнейшем исследователи с нетерпением ожидают расширения своих результатов.

"Это новаторский проект", - сказал Чжан. "Мы разрешили EDL в реалистичных гетерогенных электрохимических системах, что является священным зерном в электрохимии. Помимо практического применения в технологии, мы начинаем разрабатывать новые главы в учебниках по электрохимии".

Лалит Бонагири, Каустуб Пансе, Джейен Ким и Шань Чжоу также внесли свой вклад в эту работу.

Поддержка была оказана Управлением научных исследований Военно-воздушных сил.

Инцзе Чжан (Yingjie Zhang) - доцент кафедры материаловедения и инжиниринга Иллинойсского университета Грейнджер Инжиниринг на факультете материаловедения и инжиниринга. Он является факультетским филиалом Лаборатории исследования материалов и Института передовых наук и технологий Бекмана.