AFM探究离子液体中的双电子层

电池、超级电容器和其他能量存储技术是现代科技发展中的关键领域，而离子液体作为一种新兴的绿色能源路线，具有许多独特的性质和应用潜力，例如低蒸汽压、高热稳定性和良好的电导性等。然而，因对离子液体和固体界面之间形成的双电层（electrical double layers，EDL）知之甚少，使得商业化应用的推进十分缓慢。

本文中，我们将探索原子力显微镜（AFM）是如何利用电化学实验和分子动力学模拟，表征离子液体在固体界面上形成的纳米尺度电双层结构，为储能技术的发展提供更加坚实的理论基础和技术支持。

实验目的与方案：

一直以来，离子液体中阳离子和阴离子在空间上形成两个电子分布不均匀的电子层，主要依赖于计算机模拟来获得。通过模拟离子液体中离子的分布和电子云密度等性质，从而研究双电子层结构。而实验测量来研究离子的分布和运动情况，能更直接地衡量离子迁移和电导性，进而推断出双电子层结构的信息。

所以，中国和美国的研究者们利用牛津仪器Cypher系列的原位电化学原子力显微镜实验（Electrochemical Cell）和分子动力学模拟来研究EDL的结构和动力学特性。他们研究了1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲烷磺酰基)亚胺（PYR14-TFSI）在高定向热解石墨（HOPG）上形成的EDLs。通过使用AFM的硅基探针进行实验，可以模拟电池材料中的硅颗粒与聚合物粘合剂之间相互作用，从而对实际产业作出指导。

结果与分析：

高分辨率AFM图像揭示了EDL的平面结构，研究者们首次发现吸附离子层既包含无序的结构，又存在有序的，具有纳米级周期性的横向区域。如图一所示，顶部的左侧图像代表轻敲模式（tapping mode）相位通道，中间和右侧代表了高度通道。在成像之前，进行了力曲线测量（force measurements）以确定离子液体的平面外分层位置和适当的成像参数。

图二显示了在对HOPG基底施加电偏置时获得的偏折（deflection）通道图像。当施加正或负于开路电势（OCP）的电偏压时，有序的横向区域覆盖范围逐渐减小并最终消失。直接在原位进行实时比较，可以降低由于样本不一样或粗糙度变化带来的影响；而要实现原位高分辨实验，完全取决于AFM在空气中和溶液中拍摄高分辨率图像能力，以及定量测量摩擦曲线的能力。通过Cypher AFM，研究者们即使在液体中操作时也能轻松实现超高分辨率，使得这些发现结合带取向阴离子的双峰分布分子动力学模拟得到了解释。 

这项研究的结果对于推动能量存储技术的发展具有重要意义。首先，通过揭示EDL的结构和动态特性，我们可以更好地理解离子液体在电化学储能-释能过程中的行为，以及离子液体的运动是如何影响器件性能的。这对优化离子液体的能量存储性能以及设计新型能量存储器件至关重要。

其次，了解EDL的特性可以帮助电池制造商改进电极设计，提高电池的性能和寿命，为相关行业提供了重要的参考和指导。对于超级电容器制造商来说，这些研究结果也有助于优化电解质的设计，提高超级电容器的能量密度和功率密度。

最后，这项研究在更为宏观的电动汽车、可再生能源储存和便携式电子设备等应用领域拓展了新视野。离子液体作为一种新型的绿色能源材料，具有高能量密度、宽电化学窗口和良好的热稳定性等特点，可以提供更高效、可持续的能量存储方案，这是扩大商业化应用，推动行业加速发展的支点。

总之，利用Cypher系列超强性能的AFM进行固液界面探索，不仅增加了我们对EDL的理解，也为离子液体在电化学储能领域的应用提供了重要的科学依据。在能源问题凸显的当代，它对于促进绿色可持续发展具有重要意义，并将为相关行业带来创新和发展的机遇。

相关应用领域：储能（Energy Storage），聚合物（Polymers）

引用: W. Tsai, J. Come, W. Zhao et al., Hysteretic order-disorder transitions of ionic liquid double layer structure on graphite. Nano Energy 60, 886 (2019). https://doi.org/10.1016/j.nano...