La superficie y la interfaz juegan un papel fundamental en los dispositivos de almacenamiento de energía, por lo tanto, se requieren métodos in situ / operando para sondear la superficie / interfaz electrificada. Sin embargo, las técnicas de caracterización in situ / operando comúnmente utilizadas, como la difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de transmisión (TEM), Espectroscopia y topografía de rayos X, y la resonancia magnética nuclear (RMN) se basan en la estructura, información electrónica y química en la región a granel de los electrodos o electrolitos.

La metodología de la ciencia de superficies, incluida la espectroscopía electrónica y la microscopía de sonda de barrido, puede proporcionar información valiosa sobre cómo se producen las reacciones en las superficies sólidas. Pero las aplicaciones de los métodos sofisticados de la ciencia de la superficie en sistemas electroquímicos complicados siguen siendo menos exploradas y más desafíos. Las principales razones son que la metodología de la ciencia de superficies se realiza comúnmente en condiciones de vacío ultra alto (UHV) y sobre estructuras de modelos con superficies abiertas y bien definidas.

En un nuevo artículo de investigación (titulado "Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes") publicado en el Revista Nacional de Ciencias , científicos del Instituto de Física Química de Dalian (CAS) en Dalian, China propone una nueva estrategia para aplicar métodos de ciencia de superficie operando para explorar el proceso electroquímico en la región de superficie de electrodos. Chao Wang y Qiang Fu et al. llevó a cabo con éxito múltiples caracterizaciones científicas de superficie operando, incluyendo Raman, XPS, AFM y SKPM sobre una batería modelo Al / HOPG planar. Se ha visualizado directamente la intercalación de aniones multicapa superdensos junto con cationes en la región de la superficie del electrodo de grafito.

Basado en electrolito líquido iónico (IL) compatible con UHV y electrodos bien definidos, una batería planar modelo Al / HOPG que se compone de lámina de Al, Las escamas de HOPG y el electrolito IL intermedio se han diseñado para el siguiente análisis de superficie de operación. La batería modelo realiza los mismos comportamientos electroquímicos que la real. Es más, la longitud de difusión de los iones intercalados dentro del electrodo modelo HOPG puede llegar a milímetro. Por lo tanto, El proceso electroquímico se puede probar directamente en la superficie del electrodo abierta y limpia.

Los espectros Operando Raman se han adquirido en la batería del modelo. Se forma un compuesto de intercalación de grafito (GIC) de etapa 1 en la región de la superficie después de cargarse. Además de las señales Raman del grafito, la co-intercalación de AlCl ₄ ^- y EMI ⁺ También se ha descubierto por primera vez a través de medidas operando Raman. Después, el modelo de batería es investigado más a fondo por operando XPS. Se muestra un conjunto de señales de nivel de núcleo XPS Al 2p y C 1s. Co-intercalación de EMI ⁺ ha sido probado aún más operando XPS y su relación estequiométrica con AlCl ₄ ^- es 4:5. La descripción cuantitativa del mecanismo de carga en AIB se ha propuesto por primera vez.

Notablemente, las concentraciones de iones intercalantes en la región de la superficie (Al / C 1:1.7) en el estado de carga completa (2.45 V) deducidas de las mediciones de operación XPS son asombrosamente un orden más alto que el valor teórico (Al / C 1:24) línea de trazos . Estos resultados demuestran los aniones multicapa superdensos junto con los cationes en la región de la superficie. Este proceso electroquímico distinto en la región de la superficie puede probarse aún más mediante Raman cuasi in situ, XPS, TOF-SIMS, y mediciones de XRD / AFM in situ. El comportamiento electroquímico en la región de la superficie y el electrodo de grafito de espesor nanométrico dominante en la superficie se puede describir como la pseudocapacitancia de intercalación en contraste con el proceso de la batería en la región de volumen. Basado en el modo de intercalación de aniones / cationes superdenso en la región de la superficie, la capacidad se puede duplicar utilizando un electrodo de grafito de grosor nanométrico en AIB de tipo moneda real, que apoya los resultados de la caracterización del operando basados ​​en los dispositivos del modelo.

Basado en el análisis de la ciencia de superficie operando sobre un dispositivo modelo de Al / HOPG bien diseñado, En este trabajo se ha llegado a los mecanismos de carga en profundidad y completos de AIB. Particularmente, Se ha descubierto un efecto de superficie evidente que puede utilizarse para mejorar la capacidad. Este trabajo proporciona una nueva estrategia de uso de la metodología de ciencia de superficie operando para explorar el proceso de superficie / interfaz en sistemas de almacenamiento de energía y resaltar el papel crítico del efecto de superficie y la metodología de ciencia de superficie en los sistemas de almacenamiento de energía.