Yta och gränssnitt spelar viktiga roller i energilagringsenheter, kräver därför in-situ/operando-metoder för att sondera den elektrifierade ytan/gränssnittet. Dock, de vanliga teknikerna för in situ/operando-karakterisering, såsom röntgendiffraktion (XRD), transmissionselektronmikroskopi (TEM), Röntgenspektroskopi och topografi, och kärnmagnetisk resonans (NMR) är baserade på den strukturella, elektronisk och kemisk information i bulkregionen av elektroderna eller elektrolyterna.

Ytvetenskaplig metodik inklusive elektronspektroskopi och scanningprobmikroskopi kan ge rik information om hur reaktioner sker på de fasta ytorna. Men tillämpningarna av de sofistikerade ytvetenskapliga metoderna i komplicerade elektrokemiska system är fortfarande mindre utforskade och fler utmaningar. De främsta orsakerna är att ytvetenskaplig metodik vanligtvis utförs i ultrahögvakuum (UHV) och över modellstrukturer med öppna och väldefinierade ytor.

I en ny forskningsartikel (med titeln "Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes") publicerad i National Science Review , forskare vid Dalian Institute of Chemical Physics (CAS) i Dalian, Kina föreslår en ny strategi för att tillämpa operando ytvetenskapliga metoder för att utforska den elektrokemiska processen i elektrodernas ytregion. Chao Wang och Qiang Fu et al. framgångsrikt utfört flera operando ytvetenskapliga karakteriseringar inklusive Raman, XPS, AFM och SKPM över ett plant batteri av Al/HOPG -modell. Interkalering av supertäta flerskiktsanjoner tillsammans med katjoner i grafitelektrodytområdet har direkt visualiserats.

Baserat på UHV-kompatibel jonisk vätska (IL) elektrolyt och väldefinierade elektroder, ett plant Al/HOPG -modellbatteri som består av Al folie, HOPG -flingor och IL -elektrolyt däremellan har utformats för följande operandoytanalys. Modellbatteriet utför samma elektrokemiska beteenden som det verkliga. Vidare, diffusionslängden för de interkalerade jonerna inom HOPG -modellelektroden kan nå upp till millimeter. Således, den elektrokemiska processen kan sonderas direkt på den öppna och rena elektrodytan.

Operando Raman -spektra har förvärvats på modellbatteriet. En steg-1 grafitinterkaleringsförening (GIC) i ytområdet bildas efter laddning. Förutom Ramans signaler från grafit, saminterkalering av AlCl ₄ ^- och EMI ⁺ har också upptäckts för första gången genom operando Raman -mätningar. Senare, modellbatteriet undersöks vidare av operando XPS. En uppsättning XPS Al 2p och C 1s kärnnivå signaler visas. Saminterkalering av EMI ⁺ har ytterligare bevisats av operando XPS och dess stökiometriska förhållande med AlCl ₄ ^- är 4:5. Den kvantitativa beskrivningen av laddningsmekanismen i AIB har föreslagits för första gången.

I synnerhet, interkalantjonkoncentrationerna i ytområdet (Al/C 1:1.7) vid fullt laddat tillstånd (2.45 V) härledda från operando XPS -mätningarna är otroligt en ordning högre än det teoretiska värdet (Al/C 1:24) strecklinje . Sådana resultat visar de supertäta flerlagersanjonerna tillsammans med katjoner i ytområdet. Denna distinkta elektrokemiska process i ytområdet kan ytterligare bevisas med kvasi in-situ Raman, XPS, TOF-SIMS, och XRD/AFM-mätningar på plats. Det elektrokemiska beteendet i ytområdet och ytdominerande nanometertjocklek grafitelektrod kan beskrivas som interkalationspseudokapacitansen i motsats till batteriprocessen i bulkområdet. Baserat på det supertäta anjon/katjoninterkalationsläget i ytområdet, kapaciteten kan fördubblas genom att använda grafitelektrod i nanometertjocklek i äkta mynt-typ AIB, som stöder operandokarakteriseringsresultaten baserat på modellanordningarna.

Baserat på operando ytvetenskaplig analys över en väldesignad Al/HOPG modell enhet, på djupet och omfattande laddningsmekanismer för AIB har uppnåtts i detta arbete. Särskilt, en uppenbar yteffekt har upptäckts som kan användas för att förbättra kapaciteten. Detta arbete ger en ny strategi för att använda operando ytvetenskaplig metodik för att utforska yt-/gränssnittsprocessen i energilagringssystem och belysa yteffektens och ytvetenskapliga metoders kritiska roll i energilagringssystem.