近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室傅強(qiáng)研究員團(tuán)隊與大連化物所二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組吳忠?guī)浹芯繂T、儲能技術(shù)研究部李先鋒研究員，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所陳立桅研究員，浙江大學(xué)高超教授，以及北京理工大學(xué)吳川教授等團(tuán)隊合作，在電化學(xué)儲能過程原位在線（Operando）表界面表征研究中取得新進(jìn)展，首次準(zhǔn)確闡明鋁離子電池充電機(jī)制并發(fā)現(xiàn)儲能電極存在的表面效應(yīng)。
理解二次離子電池和超級電容器等儲能過程亟需原位在線表征，目前使用的技術(shù)包括X-射線衍射、X-射線吸收譜、透射電鏡、核磁共振等都是研究電極和電解質(zhì)體相信息，而電化學(xué)儲能中的關(guān)鍵過程是發(fā)生在電極和電解質(zhì)的表面和界面區(qū)域，因此發(fā)展原位在線電化學(xué)表界面表征方法尤為迫切和重要。
大連化物所基于在線表界面表征發(fā)現(xiàn)儲能電極的表面效應(yīng)
Langmuir、Ertl等人建立起來的表面化學(xué)方法學(xué)能夠獲得固體表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息，已經(jīng)在多相催化等領(lǐng)域中取得巨大的成功，但是將這些技術(shù)應(yīng)用到電化學(xué)過程的原位表界面表征還充滿挑戰(zhàn)。傅強(qiáng)團(tuán)隊近年來探索利用表面化學(xué)方法學(xué)研究電化學(xué)表界面問題。本工作中，研究人員通過多年探索，構(gòu)建了適合原位表面表征的模型電池，設(shè)計了一系列相關(guān)的原位樣品池和樣品臺，成功實現(xiàn)了對鋁離子電池過程的多種在線表界面表征，包括XPS、AFM、SKPM、Raman、掠角XRD等。研究發(fā)現(xiàn)充電過程中石墨電極表面區(qū)域陽離子（EMI+）與陰離子（AlCl4-）共插層嵌入到石墨層間，證實電極表面區(qū)域的插層離子超富集現(xiàn)象；基于電極過程的精準(zhǔn)在線測量，首次給出鋁離子電池電極反應(yīng)的定量描述，揭示儲能電極存在明顯的表面效應(yīng)，利用該效應(yīng)構(gòu)建以超薄石墨為電極的電池器件實現(xiàn)了容量翻倍。
相關(guān)工作以題為“Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes”發(fā)表在《國家科學(xué)評論》（Natl. Sci. Rev.）上，并被選為封面論文。該工作的第一作者是大連化物所納米與界面催化研究組2015級博士研究生王超。該工作得到國家自然科學(xué)基金科學(xué)中心和杰出青年基金、科技部重點研發(fā)、中科院B類先導(dǎo)專項“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、兩所融合基金等項目的支持。
