A superfície e a interface desempenham papéis críticos em dispositivos de armazenamento de energia, exigindo, portanto, métodos in-situ / operando para sondar a superfície / interface eletrificada. Contudo, as técnicas de caracterização in-situ / operando comumente usadas, como difração de raios-X (XRD), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), Espectroscopia de raios-X e topografia, e a ressonância magnética nuclear (NMR) são baseadas na estrutura, informações eletrônicas e químicas na região da massa dos eletrodos ou eletrólitos.

A metodologia da ciência de superfície, incluindo espectroscopia eletrônica e microscopia de varredura por sonda, pode fornecer informações valiosas sobre como as reações ocorrem nas superfícies sólidas. Mas as aplicações dos métodos sofisticados de ciência de superfície em sistemas eletroquímicos complicados ainda permanecem menos explorados e com mais desafios. As principais razões são que a metodologia da ciência de superfície é comumente feita em condições de ultra-alto vácuo (UHV) e sobre estruturas de modelo com superfícies abertas e bem definidas.

Em um novo artigo de pesquisa (intitulado "Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes") publicado no National Science Review , cientistas do Instituto de Física Química de Dalian (CAS) em Dalian, A China propõe uma nova estratégia para aplicar métodos de ciência de superfície operando para explorar o processo eletroquímico na região de superfície dos eletrodos. Chao Wang e Qiang Fu et al. realizou com sucesso múltiplas caracterizações de ciência de superfície operando, incluindo Raman, XPS, AFM e SKPM sobre uma bateria modelo Al / HOPG planar. A intercalação de ânions de multicamadas superdensas junto com cátions na região da superfície do eletrodo de grafite foi visualizada diretamente.

Com base em eletrólito de líquido iônico (IL) compatível com UHV e eletrodos bem definidos, uma bateria modelo planar Al / HOPG que é composta de folha de Al, O floco HOPG e o eletrólito IL intermediário foram projetados para a seguinte análise de superfície operacional. A bateria modelo executa os mesmos comportamentos eletroquímicos da bateria real. Além disso, o comprimento de difusão dos íons intercalados dentro do eletrodo do modelo HOPG pode chegar a milímetros. Assim, o processo eletroquímico pode ser sondado diretamente na superfície do eletrodo aberto e limpo.

Os espectros Operando Raman foram adquiridos na bateria do modelo. Um composto de intercalação de grafite de estágio 1 (GIC) na região da superfície é formado após ser carregado. Além dos sinais Raman de grafite, a co-intercalação de AlCl ₄ ^- e EMI ⁺ também foi descoberto pela primeira vez por meio de medições Raman operando. Subseqüentemente, o modelo da bateria é investigado posteriormente pelo operando XPS. Um conjunto de sinais de nível de núcleo XPS Al 2p e C 1s é exibido. Co-intercalação de EMI ⁺ foi ainda comprovado por operando XPS e sua razão estequiométrica com AlCl ₄ ^- é 4:5. A descrição quantitativa do mecanismo de cobrança no AIB foi proposta pela primeira vez.

Notavelmente, as concentrações de íons intercalantes na região da superfície (Al / C 1:1,7) no estado totalmente carregado (2,45 V) deduzidas das medições operando XPS são surpreendentemente uma ordem maior do que o valor teórico (Al / C 1:24) linha tracejada . Tais resultados demonstram os ânions superdensos de multicamadas juntamente com cátions na região da superfície. Este processo eletroquímico distinto na região da superfície pode ser ainda mais comprovado por Raman quase in-situ, XPS, TOF-SIMS, e medições de XRD / AFM in-situ. O comportamento eletroquímico na região da superfície e eletrodo de grafite com espessura nanométrica dominante na superfície pode ser descrito como a pseudocapacitância de intercalação em contraste com o processo de bateria na região da massa. Com base no modo de intercalação ânion / cátion superdenso na região da superfície, a capacidade pode ser dobrada usando eletrodo de grafite de espessura nanométrica em AIB tipo moeda real, que suporta os resultados da caracterização do operando com base nos dispositivos do modelo.

Com base na análise da ciência de superfície operando sobre um dispositivo modelo Al / HOPG bem projetado, em profundidade e abrangentes mecanismos de cobrança de AIB foram alcançados neste trabalho. Particularmente, um efeito de superfície óbvio foi descoberto que pode ser usado para melhorar a capacidade. Este trabalho fornece uma nova estratégia de utilização da metodologia de ciência de superfície operando para explorar o processo de superfície / interface em sistemas de armazenamento de energia e destaca o papel crítico do efeito de superfície e da metodologia de ciência de superfície em sistemas de armazenamento de energia.