Oppervlak en interface spelen een cruciale rol in apparaten voor energieopslag, dus pleiten voor in-situ/operando methoden om het geëlektrificeerde oppervlak/interface te onderzoeken. Echter, de veelgebruikte in-situ/operando-karakteriseringstechnieken zoals röntgendiffractie (XRD), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), Röntgenspectroscopie en topografie, en nucleaire magnetische resonantie (NMR) zijn gebaseerd op de structurele, elektronische en chemische informatie in het bulkgebied van de elektroden of elektrolyten.

Oppervlaktewetenschapsmethodologie, waaronder elektronenspectroscopie en scanning-sondemicroscopie, kan rijke informatie opleveren over hoe reacties plaatsvinden op de vaste oppervlakken. Maar de toepassingen van de geavanceerde oppervlaktewetenschapsmethoden in gecompliceerde elektrochemische systemen blijven nog steeds minder onderzocht en meer uitdagingen. De belangrijkste redenen zijn dat de oppervlaktewetenschapsmethodologie vaak wordt uitgevoerd in ultrahoog vacuüm (UHV) en boven modelstructuren met open en goed gedefinieerde oppervlakken.

In een nieuw onderzoeksartikel (getiteld "Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes") gepubliceerd in de Nationale wetenschappelijke recensie , wetenschappers van het Dalian Institute of Chemical Physics (CAS) in Dalian, China stelt een nieuwe strategie voor om operando-oppervlaktewetenschapsmethoden toe te passen om het elektrochemische proces in het oppervlaktegebied van elektroden te onderzoeken. Chao Wang en Qiang Fu et al. met succes meerdere operando-oppervlaktewetenschappelijke karakteriseringen uitgevoerd, waaronder Raman, XPS, AFM en SKPM over een vlakke Al/HOPG-modelbatterij. Intercalatie van superdichte meerlaagse anionen samen met kationen in het oppervlaktegebied van de grafietelektrode is direct gevisualiseerd.

Gebaseerd op UHV-compatibele ionische vloeibare (IL) elektrolyt en goed gedefinieerde elektroden, een vlakke Al / HOPG-modelbatterij die is samengesteld uit Al-folie, HOPG-vlokken en IL-elektrolyt daartussen zijn ontworpen voor de volgende operando-oppervlakteanalyse. De modelbatterij voert hetzelfde elektrochemische gedrag uit als de echte. Verder, de diffusielengte van de geïntercaleerde ionen binnen de HOPG-modelelektrode kan oplopen tot millimeters. Dus, het elektrochemische proces kan direct op het open en schone elektrodeoppervlak worden gemeten.

Operando Raman-spectra zijn verkregen op de modelbatterij. Een stage-1 grafiet-intercalatieverbinding (GIC) in het oppervlaktegebied wordt gevormd na te zijn geladen. Naast de Raman-signalen van grafiet, de co-intercalatie van AlCl ₄ ^- en EMI ⁺ is ook voor het eerst ontdekt door middel van operando Raman-metingen. Vervolgens, de modelbatterij wordt verder onderzocht door operando XPS. Er wordt een set XPS Al 2p- en C 1s-kernniveausignalen weergegeven. Co-intercalatie van EMI ⁺ is verder bewezen door operando XPS en zijn stoichiometrische verhouding met AlCl ₄ ^- is 4:5. De kwantitatieve beschrijving van het heffingsmechanisme in AIB is voor het eerst voorgesteld.

Opmerkelijk, de intercalant-ionenconcentraties in het oppervlaktegebied (Al/C 1:1,7) in de volledig geladen toestand (2,45 V) afgeleid uit de operando XPS-metingen zijn verbazingwekkend één orde hoger dan de theoretische waarde (Al/C 1:24) streepjeslijn . Dergelijke resultaten demonstreren de superdichte meerlaagse anionen samen met kationen in het oppervlaktegebied. Dit duidelijke elektrochemische proces in het oppervlaktegebied kan verder worden bewezen door quasi in-situ Raman, XPS, TOF-SIMS, en in-situ XRD/AFM-metingen. Het elektrochemische gedrag in het oppervlaktegebied en de oppervlaktedominante grafietelektrode met nanometerdikte kan worden beschreven als de intercalatie-pseudocapaciteit in tegenstelling tot het batterijproces in het bulkgebied. Gebaseerd op de superdichte anion/kation-intercalatiemodus in het oppervlaktegebied, de capaciteit kan worden verdubbeld door gebruik te maken van grafietelektroden met een dikte van nanometer in echte munt-type AIB, die de operandokarakteriseringsresultaten ondersteunt op basis van de modelapparaten.

Gebaseerd op de operando-oppervlaktewetenschapsanalyse over een goed ontworpen Al/HOPG-modelapparaat, diepgaande en uitgebreide heffingsmechanismen van AIB zijn in dit werk bereikt. Bijzonder, er is een duidelijk oppervlakte-effect ontdekt dat kan worden gebruikt om de capaciteit te verbeteren. Dit werk biedt een nieuwe strategie voor het gebruik van operando oppervlaktewetenschapsmethodologie om het oppervlakte/interfaceproces in energieopslagsystemen te onderzoeken en de cruciale rol van het oppervlakte-effect en oppervlaktewetenschapsmethodologie in energieopslagsystemen te benadrukken.