大連化物所基于在線表界面表征發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能電極的表面效應(yīng)
理解二次離子電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能過(guò)程亟須原位在線表征,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(chǔ)能中的關(guān)鍵過(guò)程發(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)表界面表征方法具有重要意義。
Langmuir、Ertl等人建立起來(lái)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,已在多相催化等領(lǐng)域中取得成功,但將這些技術(shù)應(yīng)用到電化學(xué)過(guò)程的原位表界面表征仍充滿挑戰(zhàn)。近年來(lái),傅強(qiáng)團(tuán)隊(duì)探索利用表面化學(xué)方法學(xué)來(lái)研究電化學(xué)表界面問(wèn)題。該工作中,研究人員通過(guò)長(zhǎng)期探索,構(gòu)建出適合原位表面表征的模型電池,設(shè)計(jì)了一系列相關(guān)的原位樣品池和樣品臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁離子電池過(guò)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(guò)程中石墨電極表面區(qū)域陽(yáng)離子(EMI+)與陰離子(AlCl4-)共插層嵌入到石墨層間,證實(shí)電極表面區(qū)域的插層離子超富集現(xiàn)象;基于電極過(guò)程的精準(zhǔn)在線測(cè)量,研究人員首次給出鋁離子電池電極反應(yīng)的定量描述,揭示儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)了容量翻倍。
相關(guān)研究成果以O(shè)perando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes為題,發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(Natl. Sci. Rev.)上,并被選為封面論文。大連化物所納米與界面催化研究組2015級(jí)博士研究生王超為論文第一作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)中心和杰出青年基金、科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、兩所融合基金等的支持。