一种新方法可以帮助科学家获得原子对电化学特性的理解

由和研究人员组成的团队开发出一种新工具，可以帮助寻求更好的电池和燃料电池。

虽然Alessandro Volta首次将金属圆盘堆放在“伏打堆”中以发电，但电池技术已经走过了漫长的道路，但仍需要进行重大改进以应对未来的能源挑战，例如为电动汽车提供动力以及廉价存储可再生能源。有效率的。

西雅图华盛顿大学机械工程教授李江宇表示，所需改进的关键可能在于纳米尺度。纳米尺度是一个非常微小的领域，一些原子或分子的运动可以改变景观。李和他的同事为这个世界打造了一扇新窗口，帮助科学家们更好地理解电池是如何工作的。他们在AIP Publishing 的Journal of Applied Physics中描述了他们的纳米级探针。

电池及其近亲燃料电池通过化学反应产生电能。这些反应发生的速率决定了电池可以充电的速度，它可以提供多少功率以及它降低的速度。

虽然电池电极中的材料看起来对人眼来说是均匀的，但对于原子本身来说，环境却出奇地多样化。

在表面附近和材料之间的界面处，可能发生巨大的性质变化 - 这种变化会以复杂和难以理解的方式影响反应速率。

Li说，过去十到十五年的研究表明，材料特性的局部变化会影响电池和其他电化学系统的性能。

复杂的纳米级景观使得完全理解正在发生的事情变得棘手，但“它也可能为工程材料特性创造新的机会，从而实现性能的巨大飞跃，”他说。

为了更好地了解化学反应在原子和分子水平上的进展，Li和他的同事开发了一种纳米级探针。该方法类似于原子力显微镜：微小的悬臂“感觉”材料并构建其属性的图，分辨率为纳米或更小。

在新的电化学探针的情况下，悬臂用电流加热，引起探针下方材料的温度波动和局部应力。结果，材料中的原子和离子四处移动，导致它膨胀和收缩。这种膨胀和收缩导致悬臂振动，这可以使用照射在悬臂顶部的激光束精确测量。

如果探针尖端附近存在大量离子或其他带电粒子，其浓度的变化将导致材料进一步变形，类似于木材在潮湿时膨胀的方式。变形称为Vegard应变。

Vegard应变和标准热膨胀都会影响材料的振动，但方式不同。Li解释说，如果振动像是音符，那么热感应的Vegard应变就像一个谐波泛音，比正在播放的音符高一个八度音。

该装置识别Vegard应变引起的振动，并可以推断探针尖端附近的离子浓度和电子缺陷。该方法优于使用电压扰动产生响应的其他类型的原子显微镜，因为电压可以产生许多不同类型的响应，并且难以分离与离子和电子缺陷浓度的变化相关的部分响应。热响应更容易识别，尽管新系统的一个缺点是它只能探测比尖端附近的传热过程慢的速率。

尽管如此，研究小组认为，新方法将为研究人员提供研究纳米级电化学材料特性的有价值工具。他们分别通过测量掺杂Sm的二氧化铈和LiFePO4(固体氧化物燃料电池和锂电池中的重要材料)中的带电物质浓度来测试它。

“离子和电子物质的浓度通常与电化学材料的重要速率特性有关 - 例如表面反应，界面电荷转移，体积和表面扩散 - 这些都决定了器件的性能，”Li说。“通过在纳米尺度上局部测量这些特性，我们可以更好地理解电化学系统的真正工作方式，从而更好地开发具有更高性能的新材料。

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