Overfladeeffekt af elektroder afsløret ved operando overfladevidenskabelige metoder

Overflade og grænseflade spiller en afgørende rolle i energilagringsenheder, kræver derfor in-situ/operando-metoder til at sonde den elektrificerede overflade/grænseflade. Imidlertid, de almindeligt anvendte in situ/operando karakteriseringsteknikker såsom røntgendiffraktion (XRD), transmissionselektronmikroskopi (TEM), Røntgenspektroskopi og topografi, og nuklear magnetisk resonans (NMR) er baseret på den strukturelle, elektronisk og kemisk information i bulkregionen af ​​elektroderne eller elektrolytterne.

Overfladevidenskabelig metode, herunder elektronspektroskopi og scanningsprobesmikroskopi, kan give rig information om, hvordan reaktioner finder sted på de faste overflader. Men anvendelserne af de sofistikerede overfladevidenskabelige metoder i komplicerede elektrokemiske systemer er stadig mindre undersøgt og flere udfordringer. Hovedårsagerne er, at den overfladevidenskabelige metode normalt udføres i ultrahøjvakuum (UHV) tilstand og over modelstrukturer med de åbne og veldefinerede overflader.

I en ny forskningsartikel (med titlen "Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes") offentliggjort i National Science Review , forskere ved Dalian Institute of Chemical Physics (CAS) i Dalian, Kina foreslår en ny strategi for at anvende operando overfladevidenskabelige metoder til at udforske den elektrokemiske proces i elektrodernes overfladeregion. Chao Wang og Qiang Fu et al. succesfuldt udført flere operando overfladevidenskabelige karakteriseringer, herunder Raman, XPS, AFM og SKPM over et plant Al/HOPG modelbatteri. Interkalering af super-tæt flerlags-anioner sammen med kationer i grafitelektrodeoverfladeregionen er blevet visualiseret direkte.

Baseret på UHV-kompatibel ionisk væske (IL) elektrolyt og veldefinerede elektroder, et plant Al/HOPG -modelbatteri, der består af Al -folie, HOPG -flager og IL -elektrolyt imellem er designet til følgende operandooverfladeanalyse. Modelbatteriet udfører den samme elektrokemiske adfærd som den virkelige. Desuden, diffusionslængden af ​​de interkalerede ioner inden for HOPG -modelelektroden kan nå op til millimeter. Dermed, den elektrokemiske proces kan sonderes direkte på den åbne og rene elektrodeoverflade.

Operando Raman -spektre er blevet erhvervet på modelbatteriet. En fase-1 grafitinterkalationsforbindelse (GIC) i overfladeregionen dannes efter ladning. Ud over Raman -signalerne fra grafit, co-interkalering af AlCl ₄ ^- og EMI ⁺ er også blevet opdaget for første gang gennem operando Raman målinger. Efterfølgende, modelbatteriet undersøges yderligere af operando XPS. Et sæt XPS Al 2p og C 1s kerneniveausignaler vises. Co-intercalation af EMI ⁺ er blevet yderligere bevist af operando XPS og dets støkiometriske forhold med AlCl ₄ ^- er 4:5. Den kvantitative beskrivelse af opladningsmekanismen i AIB er blevet foreslået for første gang.

Især interkalant ionkoncentrationer i overfladeområdet (Al/C 1:1,7) ved fuldt ladet tilstand (2,45 V) udledt af operando XPS målinger er forbløffende en ordre højere end den teoretiske værdi (Al/C 1:24) bindestreg . Sådanne resultater demonstrerer de super-tætte flerlagsanioner sammen med kationer i overfladeområdet. Denne særskilte elektrokemiske proces i overfladeregionen kan yderligere bevises ved kvasi in-situ Raman, XPS, TOF-SIMS, og in situ XRD/AFM målinger. Den elektrokemiske adfærd i overfladeregionen og overfladedominant nanometer tykkelse grafitelektrode kan beskrives som interkalationspseudokapacitansen i modsætning til batteriprocessen i bulkområdet. Baseret på den supertætte anion/kationinterkaleringstilstand i overfladeområdet, kapaciteten kan fordobles ved hjælp af nanometer tykkelse grafitelektrode i ægte mønt-type AIB, som understøtter operandokarakteriseringsresultaterne baseret på modelenhederne.

Baseret på operando overflade videnskabelig analyse over en veldesignet Al/HOPG model enhed, i dybden og omfattende opladningsmekanismer for AIB er nået i dette arbejde. Især, der er opdaget en tydelig overfladeeffekt, som kan bruges til at forbedre kapaciteten. Dette arbejde giver en ny strategi for brug af operando overfladevidenskabelig metodik til at udforske overflade-/grænsefladeprocessen i energilagringssystemer og fremhæve overfladeeffektens og overfladevidenskabsmetodikkens kritiske rolle i energilagringssystemer.