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水系電池實驗室

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形貌與晶體結構

二維XRD衍射

利用二維X射線衍射儀或同步輻射XRD測試獲得二維XRD衍射譜圖。相比傳統的一維XRD，不僅可以反應織構等信息，更可以顯著提高論文檔次。

晶體取向分布

通過電子背散射衍射或XRD極圖獲得晶體學取向信息（晶粒大小，方向與分布狀態等）。

原位沉積/剝離/產氣監測

原位觀測電極表面的狀態來實現對金屬離子沉積，剝離效果或者副反應進行觀察，用來證實沉積更均勻、剝離更均勻或副反應更少。

表界面均勻性

對電極表面的三維形貌進行測試，用以分析表面狀態：包覆均勻性，沉積均勻性，電極表面穩定性等。

三維形貌圖

對電極表面的三維形貌進行測試，用以分析表面狀態：包覆均勻性，沉積均勻性，電極表面穩定性等。

組分分布

二維/三維化學組成分布

利用TOF-SIMS對電池材料或極片進行測試，從而獲得其表面成分分布或三維體相成分分布。

電化學活性分布圖

利用掃描電化學顯微鏡對電池材料進行測試，在二維空間上分辨區域電化學活性：哪些區域活性高，哪些區域已經失活。

離子濃度動態分布圖

通過原位觀測界面處金屬離子濃度的變化，實現對電解液、電解液添加劑、界面修飾劑的離子傳輸動力學進行表征。

穩定性

電池穩定性與產氣分析

對電化學反應中的揮發性反應物、中間體、反應產物進行定性和定量分析（如氫氣，氧氣，硫化物等），用以分析電池材料、電解液、界面的穩定性。

原位電極質量監測

在充放電過程中對單個電極的質量變化進行監測，從而證明電化學反應的可逆性以及長循環穩定性。

原位氣壓監測

在靜置時或電池充放電過程中原位監測氣壓的變化，用來表征電極片、電解液或體系的穩定性。

原位譜學

原位XRD（水系電池）

在充放電過程中不斷進行XRD測試，追蹤晶體結構變化，揭示相變機理、電荷存儲機理和性能衰減根源。

原位拉曼（水系電池）

在充放電過程中持續進行拉曼光譜測試，監測電極表面物質結構和性質變化，揭示電化學反應機理、中間產物狀態，SEI信息。

原位紅外（水系電池）

在充放電過程中持續進行紅外光譜測試，實時解析界面官能團與中間體吸收峰演變，量化副反應和 SEI 形成動力學，助力料優化與電極性能改善。

原位電化學阻抗譜（原位EIS）

在充放電過程中利用電化學工作站不斷測試電池的電化學阻抗譜，用以分析阻抗變化，揭示電化學過程，反應動力學和或性能改善機理。

理論計算

電解液穩定性與SEI

通過量子化學計算不同電解液分子軌道能級（HOMO與LUMO），用來估算電解液穩定性，電化學穩定窗口，定向設計SEI/CEI成膜添加劑，評估副反應與安全風險，揭示界面電子轉移機理。

陰離子極性

通過計算陰離子表面的靜電勢（ESP）分布來量化陰離子的極性（API），分析與水分子的結合能力，輔助優化電解液。

分子極性指數與配位結構

利用DFT計算，以分子極性指數（MPI）為描述符，建立離子與分子結合能模型，說明離子配位結構及其可能的影響。

金屬離子溶劑化結構

通過分子動力學方法來模擬不同添加劑在電解液組分中與Zn離子結合配位情況。

氫鍵數量與分布

通過分子動力學（MD）來研究氫鍵分布和數量，用以研究離子傳輸性能

物質遷移與擴散

通過分子動力學(MD)方法研究水系電池中的物質遷移與擴散。

離子擴散能壘

通過DFT計算來獲得離子在電極表面或內部的擴散能壘，用以表征離子傳輸性能。

雙電層結構模擬

通過分子動力學方法來模擬電極表面的雙電層結構，研究界面結構和成分分布對性能的影響。

通過相場仿真技術，模擬在不同電場或離子濃度下的金屬離子沉積過程，揭示枝晶生長機理和改性機理。

案例展示

形貌與晶體結構

三維形貌圖

Benchmarking Corrosion with Anionic Polarity Index for Stable and Fast Aqueous Batteries Even in Low-Concentration Electrolyte

Advanced Materials, 2025

作者監測了鋅負極在不同電解液下鋅沉積的形貌演變過程，證明了在優化的電解液中鋅沉積更加均勻。

晶體取向分布檢測

Single [0001]-oriented zinc metal anode enables sustainable zinc batteries

Nature Communications, 2024

作者對兩類不同鋅負極進行了晶體學取向測試，發現Com-Zn顆粒尺寸與晶體取向分布均不均勻。作為對比，另一中Zn不僅尺寸均勻而且整體取向一致。這種[0001]取向結構有利于避免枝晶形成同時保持結構穩定

監測界面處離子濃度動態分布

Tandem Chemistry with Janus Mesopores Accelerator for Efficient Aqueous Batteries

JACS, 2024

作者對鋅金屬負極進行了界面修飾，通過原位監測界面處的離子濃度分布，證實了特定修飾可以促進鋅離子擴散，從而避免鋅枝晶形成。

解析電極材料三維化學成分分布

Benchmarking Corrosion with Anionic Polarity Index for Stable and Fast Aqueous Batteries Even in Low-Concentration Electrolyte

Advanced Materials, 2025

作者利用TOF-SIMS對鋅負極表面的SEI膜成分進行了研究，揭示了其厚度，化學組成和空間分布。

電池穩定性與產氣分析

An energetic K?-S aqueous battery with 96% sulfur redox utilization

Joule, 2024

作者對高濃電解液中硫電極進行了產氣監測，發現無氫氣，氧氣或硫化氫生成，證明了硫電極在該電解液中的反應穩定性。

原位電極質量監測

A Mn2?-S redox electrochemistry for energetic aqueous manganese ion battery

Joule, 2025

作者利用電化學石英晶體微晶天平（EQCM）監測了硫電極在充放電時的質量變化，一方面證實了點電化學反應的可逆發生，另一方面又發現了循環過程中電極物質的持續損失。

原位XRD

An energetic K?-S aqueous battery with 96% sulfur redox utilization

Joule, 2024

作者對水系硫電極進行了原位XRD測試，發現硫電極在放電時峰逐漸消失，在充電時峰重新出現，這證明硫電極發生了轉化反應，同時電極也具有高度可逆性。

原位EIS

A Mn2?-S redox electrochemistry for energetic aqueous manganese ion battery

Joule, 2025

作者對兩類電池進行了原位電化學阻抗譜測試，研究發現采用GFD隔膜的電池阻抗放電時減小，充電時增大，而采用PVA隔膜的則全稱保持穩定。這與其背后的反應機理有關：PVA隔膜可以使整個反應過程更穩定，不存在因為液相溶解導致的阻抗變小。

電解液穩定性與SEI

Benchmarking Corrosion with Anionic Polarity Index for Stable and Fast Aqueous Batteries Even in Low-Concentration Electrolyte

Advanced Materials，2025

作者通過通過計算陰離子的LUMO能級，評估其在電場作用下的電子轉移能力，解釋低API（陰離子極性指數）的陰離子如何在電極表面形成穩定的SEI層

物質遷移與擴散

Unveil the Failure of Alkali Ion-Sulfur Aqueous Batteries: Resolving Water Migration by Coordination Regulation

Angewan，2025

作者通過通過分子動力學計算證明，在飽和NaOTf的電解質中，Na?離子可以輕松穿透膜，進一步與硫物種反應，而沒有檢測到遷移的水。相比之下，在原始電解質中，水分子會向陰極側遷移。該研究證實了電荷載流子的貧水配位結構可以抑制電池系統中的水遷移。

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