La superficie e l'interfaccia svolgono un ruolo fondamentale nei dispositivi di accumulo di energia, richiedendo così metodi in-situ/operando per sondare la superficie/interfaccia elettrificata. Però, le tecniche di caratterizzazione in situ/operando comunemente usate come la diffrazione dei raggi X (XRD), microscopia elettronica a trasmissione (TEM), Spettroscopia a raggi X e topografia, e la risonanza magnetica nucleare (NMR) si basano sulla struttura, informazioni elettroniche e chimiche nella regione alla rinfusa degli elettrodi o degli elettroliti.

La metodologia della scienza delle superfici, compresa la spettroscopia elettronica e la microscopia a scansione di sonda, può fornire informazioni dettagliate su come avvengono le reazioni sulle superfici solide. Ma le applicazioni dei sofisticati metodi della scienza delle superfici in complicati sistemi elettrochimici rimangono ancora meno esplorate e più impegnative. Le ragioni principali sono che la metodologia della scienza delle superfici viene comunemente eseguita in condizioni di ultra-alto vuoto (UHV) e su strutture modello con superfici aperte e ben definite.

In un nuovo articolo di ricerca (intitolato "Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes") pubblicato nel Rassegna scientifica nazionale , scienziati del Dalian Institute of Chemical Physics (CAS) a Dalian, La Cina propone una nuova strategia per applicare metodi di scienza della superficie operando per esplorare il processo elettrochimico nella regione superficiale degli elettrodi. Chao Wang e Qiang Fu et al. ha eseguito con successo molteplici caratterizzazioni di scienze della superficie operando tra cui Raman, XPS, AFM e SKPM su una batteria modello planare Al/HOPG. L'intercalazione di anioni multistrato superdensi insieme a cationi nella regione della superficie dell'elettrodo di grafite è stata visualizzata direttamente.

Basato su elettrolita liquido ionico (IL) compatibile con UHV ed elettrodi ben definiti, una batteria modello planare Al/HOPG composta da un foglio di alluminio, Il fiocco HOPG e l'elettrolita IL in mezzo è stato progettato per la seguente analisi della superficie operando. La batteria modello esegue gli stessi comportamenti elettrochimici di quella reale. Per di più, la lunghezza di diffusione degli ioni intercalati all'interno dell'elettrodo modello HOPG può raggiungere il millimetro. Così, il processo elettrochimico può essere sondato direttamente sulla superficie dell'elettrodo aperta e pulita.

Sulla batteria del modello sono stati acquisiti gli spettri di Operando Raman. Dopo essere stato caricato, si forma un composto di intercalazione della grafite (GIC) stadio 1 nella regione superficiale. Oltre ai segnali Raman di grafite, la co-intercalazione di AlCl ₄ ^- e EMI ⁺ è stato scoperto anche per la prima volta attraverso misurazioni operando Raman. Successivamente, il modello di batteria viene ulteriormente studiato da operando XPS. Viene visualizzato un insieme di segnali di livello core XPS Al 2p e C 1s. Co-intercalazione di EMI ⁺ è stato ulteriormente dimostrato operando XPS e il suo rapporto stechiometrico con AlCl ₄ ^- è 4:5. La descrizione quantitativa del meccanismo di tariffazione in AIB è stata proposta per la prima volta.

In particolare, le concentrazioni di ioni intercalanti nella regione superficiale (Al/C 1:1.7) allo stato di piena carica (2.45 V) dedotte dalle misurazioni XPS operando sono sorprendentemente un ordine superiori al valore teorico (Al/C 1:24) linea tratteggiata . Tali risultati dimostrano gli anioni multistrato superdensi insieme ai cationi nella regione superficiale. Questo distinto processo elettrochimico nella regione superficiale può essere ulteriormente dimostrato da Raman quasi in situ, XPS, TOF-SIMS, e misurazioni XRD/AFM in situ. Il comportamento elettrochimico nella regione superficiale e l'elettrodo di grafite di spessore nanometrico dominante sulla superficie può essere descritto come la pseudocapacità di intercalazione in contrasto con il processo della batteria nella regione di massa. Sulla base della modalità di intercalazione anione/catione superdensa nella regione superficiale, la capacità può essere raddoppiata utilizzando un elettrodo di grafite di spessore nanometrico in AIB a moneta reale, che supporta i risultati della caratterizzazione operando in base ai dispositivi modello.

Sulla base dell'analisi della scienza della superficie operando su un dispositivo modello Al/HOPG ben progettato, in questo lavoro sono stati raggiunti meccanismi di tariffazione approfonditi e completi dell'AIB. Particolarmente, è stato scoperto un evidente effetto superficiale che può essere utilizzato per migliorare la capacità. Questo lavoro fornisce una nuova strategia di utilizzo della metodologia della scienza della superficie operando per esplorare il processo di superficie/interfaccia nei sistemi di accumulo di energia ed evidenziare il ruolo critico dell'effetto superficie e della metodologia della scienza della superficie nei sistemi di accumulo di energia.