郭团/卢锡洪Nature子刊：等离子体光纤传感器原位监测水系电池中的离子运动

2023年10月15日下午3:58 • 顶刊解读

了解运行中电池电极表面的离子传输动力学和电解液-电极相互作用对于确定其性能和健康状况至关重要。然而，在微观尺度上实时捕获表面局部和快速离子传输的细节仍然是一项具有挑战性的任务。

在此，暨南大学郭团研究员、中山大学卢锡洪教授等人以水系锌离子电池为例，展示了一种基于光纤等离子体传感器的有前途的方法，该传感器能够嵌入工作电池的电极表面附近在不干扰其运行的情况下监测其电化学动力学。

作者采用的传感器是一种倾斜的印在商业单模光纤中的光纤布拉格光栅（TFBG）并涂有纳米级金膜，用于表面等离子体激元的高效激发。位于靠近电极的光纤传感器表面上的表面等离子体共振传感和成像（SPR）波的相速度和衰减距离被小的和局部的离子传输差异所改变，从而导致在反射中测量的TFBG-SPR光谱特征的位置和形状发生变化。

图1. 光纤传感器电化学表面等离子体共振传感原理及实验演示

与依赖“大容量”电池平均估计的现有技术（如循环伏安法（CV））相比，本文提出的传感器旨在直接量化电极表面上的离子传输和嵌入量。作为概念验证，作者最初专注于水系锌离子可充电电池，然后将该方法推广到其他电解液和电池化学。

作者基于原位动力学研究结果观察和分析证明了在 MnO₂上的PEDOT涂层可以显著优化H ⁺电极的扩散动力学，从而获得更优异的电化学性能。该方法可以快速识别界面过程的详细信息，并且可以集成为现有电池组件的一部分以进行原位监测。这种易于实施的方法填补了当前电池化学和电化学实时监测的重要空白，为高精度筛选电极界面附近的表面（亚微米级）化学事件提供了可扩展的解决方案。

图2. H⁺和Zn²⁺插层动力学研究

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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郭团/卢锡洪Nature子刊：等离子体光纤传感器原位监测水系电池中的离子运动

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