Теперь ученые из U.S. Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE) продемонстрировала новый метод наблюдения в реальном времени за движением ионов таких жидкостей и их реконфигурацией при приложении к электродам различных напряжений. Метод описан в статье, опубликованной 12 мая в онлайн-издании Advanced Materials.
«Когда ионные жидкие электролиты вступают в контакт с наэлектризованным электродом, на этой границе образуется особая структура, состоящая из чередующихся слоев катионов и анионов, называемая двойным электрическим слоем (EDL)», — сказал первый автор Ваттака Ситапутра, ученый. в Брукхейвенском центре функциональных наноматериалов (CFN), учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США, где проводилось исследование. «Но отслеживать в реальном времени эволюцию EDL, где в батареях происходят электрохимические реакции, сложно, потому что он очень тонкий (всего несколько нанометров) и погребен в основной части ионной жидкости."
До сих пор ученые могли наблюдать только начальную и конечную структуру EDL с помощью методов микроскопии и спектроскопии; промежуточную структуру было труднее исследовать.
Чтобы визуализировать структурные изменения EDL и движение ионов при приложении напряжения к электродам, команда Брукхейвена использовала метод визуализации, называемый фотоэмиссионной электронной микроскопией (PEEM). В этом методе поверхностные электроны возбуждаются источником энергии и ускоряются в электронный микроскоп, где они проходят через увеличительные линзы, а затем проецируются на детектор, который регистрирует электроны, испускаемые с поверхности.
Затем локальные вариации интенсивности сигнала фотоэмиссии используются для создания контрастных изображений поверхности. В этом случае команда использовала ультрафиолетовый свет для возбуждения электронов на поверхности как ионной жидкости (известной как EMMIM TFSI), которую они нанесли в виде тонких пленок, так и двух золотых электродов, которые они изготовили.
«Визуализация всей поверхности, включая электроды и пространство между ними, позволяет нам изучать не только эволюцию структуры границы раздела ионная жидкость-электрод, но и исследовать оба электрода одновременно, изменяя при этом различные состояния системы. ", — сказал ученый и соавтор CFN Ежи (Юрек) Садовски.
В этой первоначальной демонстрации команда изменила напряжение, подаваемое на электроды, толщину пленок ионной жидкости и температуру системы, одновременно отслеживая изменения интенсивности фотоэмиссии.
Ученые обнаружили, что ионы (которые обычно располагаются в виде шахматной доски для этой ионной жидкости) перемещаются и располагаются в соответствии со знаком и величиной приложенного напряжения. Катионы тяготеют к электроду с отрицательным смещением, чтобы противодействовать заряду, и наоборот для анионов.
По мере увеличения разницы потенциалов между двумя электродами очень плотный слой катионов или анионов может накапливаться возле смещенного электрода, предотвращая перемещение туда других ионов с таким же зарядом (явление, называемое перенаселенностью) и уменьшая подвижность ионов.
Они также обнаружили, что больше противоионов собирается возле смещенного электрода в более толстых пленках.
«Для очень тонких пленок количество ионов, доступных для перегруппировки, невелико, поэтому слой EDL может не образоваться», — сказал Ситапутра. "В более толстых пленках доступно больше ионов, и у них больше места для перемещения. Они устремляются к границе раздела, а затем рассеиваются обратно в массу при переполнении, чтобы сформировать более стабильную структуру."
Команда далее исследовала важность подвижности в процессе перегруппировки, охлаждая более толстую пленку до тех пор, пока ионы практически не перестанут двигаться.
По словам команды, применение ПЭИМ в эксперименте операндо довольно ново и никогда не применялось для ионных жидкостей.
«Нам пришлось преодолеть несколько технических проблем в экспериментальной установке, включая разработку и изготовление электродов с золотым узором и включение держателя образца в электронный микроскоп», — пояснил Садовски. «Ионные жидкости, вероятно, не исследовались с помощью этого метода, потому что помещать жидкость в микроскоп на основе сверхвысокого вакуума кажется нелогичным."
Команда планирует продолжить свои исследования с использованием нового низкоэнергетического электронного микроскопа с коррекцией аберраций (LEEM) / системы PEEM, установленного в рамках партнерства между CFN и Национальным синхротронным источником света II (NSLS-II), другим Управлением науки Министерства энергетики США. Пользовательский центр в Брукхейвене — на канале электронной спектромикроскопии NSLS-II. Эта система позволит группе исследовать не только структурные и электронные изменения, но и химические изменения границы раздела ионная жидкость-электрод — все в одном эксперименте.
Определяя эти уникальные свойства, ученые смогут выбрать оптимальные ионные жидкости для конкретных приложений хранения энергии.