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郭團(tuán)/盧錫洪Nature子刊：等離子體光纖傳感器原位監(jiān)測水系電池中的離子運動

了解運行中電池電極表面的離子傳輸動力學(xué)和電解液-電極相互作用對于確定其性能和健康狀況至關(guān)重要。然而，在微觀尺度上實時捕獲表面局部和快速離子傳輸?shù)募?xì)節(jié)仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

在此，暨南大學(xué)郭團(tuán)研究員、中山大學(xué)盧錫洪教授等人以水系鋅離子電池為例，展示了一種基于光纖等離子體傳感器的有前途的方法，該傳感器能夠嵌入工作電池的電極表面附近在不干擾其運行的情況下監(jiān)測其電化學(xué)動力學(xué)。

作者采用的傳感器是一種傾斜的印在商業(yè)單模光纖中的光纖布拉格光柵（TFBG）并涂有納米級金膜，用于表面等離子體激元的高效激發(fā)。位于靠近電極的光纖傳感器表面上的表面等離子體共振傳感和成像（SPR）波的相速度和衰減距離被小的和局部的離子傳輸差異所改變，從而導(dǎo)致在反射中測量的TFBG-SPR光譜特征的位置和形狀發(fā)生變化。

圖1. 光纖傳感器電化學(xué)表面等離子體共振傳感原理及實驗演示

與依賴“大容量”電池平均估計的現(xiàn)有技術(shù)（如循環(huán)伏安法（CV））相比，本文提出的傳感器旨在直接量化電極表面上的離子傳輸和嵌入量。作為概念驗證，作者最初專注于水系鋅離子可充電電池，然后將該方法推廣到其他電解液和電池化學(xué)。

作者基于原位動力學(xué)研究結(jié)果觀察和分析證明了在 MnO₂上的PEDOT涂層可以顯著優(yōu)化H ⁺電極的擴(kuò)散動力學(xué)，從而獲得更優(yōu)異的電化學(xué)性能。該方法可以快速識別界面過程的詳細(xì)信息，并且可以集成為現(xiàn)有電池組件的一部分以進(jìn)行原位監(jiān)測。這種易于實施的方法填補了當(dāng)前電池化學(xué)和電化學(xué)實時監(jiān)測的重要空白，為高精度篩選電極界面附近的表面（亞微米級）化學(xué)事件提供了可擴(kuò)展的解決方案。

圖2. H⁺和Zn²⁺插層動力學(xué)研究

Operando monitoring of ion activities in aqueous batteries with plasmonic fiber-optic sensors, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28267-y

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