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)

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員傅強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與大連化物所二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)洝?chǔ)能技術(shù)研究部研究員李先鋒，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員陳立桅，浙江大學(xué)教授高超和北京理工大學(xué)教授吳川等合作，在電化學(xué)儲(chǔ)能過程原位在線（Operando）表界面表征研究中取得進(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(chǔ)能電極存在的表面效應(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)過程的原位表界面表征仍充滿挑戰(zhàn)。近年來，傅強(qiáng)團(tuán)隊(duì)探索利用表面化學(xué)方法學(xué)來研究電化學(xué)表界面問題。該工作中，研究人員通過長期探索，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(shí)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，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Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes為題，發(fā)表在《國家科學(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。