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大連化物所等基于在線表界面表征發現儲能電極的表面效應

2021-03-31 大連化學物理研究所
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  近日,中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員傅強團隊與大連化物所二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥、儲能技術研究部研究員李先鋒,中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員陳立桅,浙江大學教授高超和北京理工大學教授吳川等合作,在電化學儲能過程原位在線(Operando)表界面表征研究中取得進展,首次準確闡明鋁離子電池充電機制,并發現儲能電極存在的表面效應。

  理解二次離子電池和超級電容器等儲能過程亟須原位在線表征,目前使用的技術包括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體相信息,而電化學儲能中的關鍵過程發生在電極和電解質的表面和界面區域,因此,發展原位在線電化學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方法學能夠獲得固體表面結構和化學信息,已在多相催化等領域中取得成功,但將這些技術應用到電化學過程的原位表界面表征仍充滿挑戰。近年來,傅強團隊探索利用表面化學方法學來研究電化學表界面問題。該工作中,研究人員通過長期探索,構建出適合原位表面表征的模型電池,設計了一系列相關的原位樣品池和樣品臺,實現了對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。研究發現,充電過程中石墨電極表面區域陽離子(EMI+)與陰離子(AlCl4-)共插層嵌入到石墨層間,證實電極表面區域的插層離子超富集現象;基于電極過程的精準在線測量,研究人員首次給出鋁離子電池電極反應的定量描述,揭示儲能電極存在明顯的表面效應,利用該效應構建以超薄石墨為電極的電池器件實現了容量翻倍。

  相關研究成果以Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes為題,發表在《國家科學評論》(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基金科學中心和杰出青年基金、科學技術部重點研發、中科院戰略性先導科技專項(B類)“能源化學轉化的本質與調控”、兩所融合基金等的支持。

  論文鏈接 

大連化物所基于在線表界面表征發現儲能電極的表面效應

打印 責任編輯:張芳丹
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