La surface et l'interface jouent un rôle essentiel dans les dispositifs de stockage d'énergie, appelant ainsi à des méthodes in-situ/operando pour sonder la surface/interface électrifiée. Cependant, les techniques de caractérisation in-situ/operando couramment utilisées telles que la diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à transmission (MET), Spectroscopie et topographie aux rayons X, et la résonance magnétique nucléaire (RMN) sont basées sur la structure, informations électroniques et chimiques dans la région en vrac des électrodes ou des électrolytes.

La méthodologie de la science des surfaces, y compris la spectroscopie électronique et la microscopie à sonde à balayage, peut fournir des informations riches sur la façon dont les réactions se déroulent sur les surfaces solides. Mais les applications des méthodes sophistiquées de science des surfaces dans les systèmes électrochimiques complexes restent encore moins explorées et plus difficiles. Les principales raisons sont que la méthodologie de la science des surfaces est généralement effectuée dans des conditions de vide ultra-élevé (UHV) et sur des structures modèles avec des surfaces ouvertes et bien définies.

Dans un nouvel article de recherche (intitulé "Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes") publié dans le Revue scientifique nationale , scientifiques de l'Institut de physique chimique de Dalian (CAS) à Dalian, La Chine propose une nouvelle stratégie pour appliquer des méthodes de science de surface operando pour explorer le processus électrochimique dans la région de surface des électrodes. Chao Wang et Qiang Fu et al. réalisé avec succès plusieurs caractérisations de la science des surfaces operando, y compris Raman, XPS, AFM et SKPM sur une batterie modèle planaire Al/HOPG. L'intercalation d'anions multicouches super denses avec des cations dans la région de surface de l'électrode en graphite a été directement visualisée.

Basé sur un électrolyte liquide ionique (IL) compatible UHV et des électrodes bien définies, une batterie modèle planaire Al/HOPG qui est composée d'une feuille d'aluminium, Les flocons HOPG et l'électrolyte IL entre les deux ont été conçus pour l'analyse de surface operando suivante. La batterie modèle exécute les mêmes comportements électrochimiques que la vraie. Par ailleurs, la longueur de diffusion des ions intercalés dans l'électrode modèle HOPG peut atteindre le millimètre. Ainsi, le processus électrochimique peut être directement sondé sur la surface ouverte et propre de l'électrode.

Les spectres Operando Raman ont été acquis sur la batterie modèle. Un composé d'intercalation de graphite de stade 1 (GIC) dans la région de surface est formé après avoir été chargé. En plus des signaux Raman du graphite, la co-intercalation d'AlCl 4 ^- et EMI ⁺ a également été découvert pour la première fois grâce à des mesures de l'opérande Raman. Ensuite, la batterie modèle est étudiée plus en détail par operando XPS. Un ensemble de signaux de niveau noyau XPS Al 2p et C 1s est affiché. Co-intercalation d'EMI ⁺ a encore été prouvé par operando XPS et son rapport stoechiométrique avec AlCl 4 ^- est 4:5. La description quantitative du mécanisme de tarification dans AIB a été proposée pour la première fois.

Notamment, les concentrations d'ions intercalants dans la région de surface (Al/C 1:1,7) à l'état complètement chargé (2,45 V) déduites des mesures XPS operando sont étonnamment supérieures d'un ordre à la valeur théorique (Al/C 1:24) en tirets . De tels résultats démontrent les anions multicouches super-denses ainsi que les cations dans la région de la surface. Ce processus électrochimique distinct dans la région de surface peut encore être prouvé par Raman quasi in-situ, XPS, TOF-SIMS, et mesures XRD/AFM in situ. Le comportement électrochimique dans la région de surface et l'électrode de graphite d'épaisseur nanométrique à dominante de surface peut être décrit comme la pseudocapacité d'intercalation par opposition au processus de batterie dans la région de masse. Basé sur le mode d'intercalation anion/cation super dense dans la région de surface, la capacité peut être doublée en utilisant une électrode en graphite d'épaisseur nanométrique dans un véritable AIB de type pièce de monnaie, qui prend en charge les résultats de caractérisation operando basés sur les dispositifs modèles.

Basé sur l'analyse de la science de surface operando sur un dispositif modèle Al/HOPG bien conçu, des mécanismes de facturation approfondis et complets de l'AIB ont été atteints dans ce travail. Particulièrement, un effet de surface évident a été découvert qui peut être utilisé pour améliorer la capacité. Ce travail fournit une nouvelle stratégie d'utilisation de la méthodologie de science de surface operando pour explorer le processus surface/interface dans les systèmes de stockage d'énergie et met en évidence le rôle critique de l'effet de surface et de la méthodologie de science de surface dans les systèmes de stockage d'énergie.