傅强课题组：基于在线表界面表征发现储能电极的表面效应

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近日，我所催化基础国家重点实验室傅强研究员团队与我所二维材料化学与能源应用研究组吴忠帅研究员、储能技术研究部李先锋研究员，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈立桅研究员，浙江大学高超教授，以及北京理工大学吴川教授等团队合作，在电化学储能过程原位在线（Operando）表界面表征研究中取得新进展，首次准确阐明铝离子电池充电机制并发现储能电极存在的表面效应。
　　理解二次离子电池和超级电容器等储能过程亟需原位在线表征，目前使用的技术包括X-射线衍射、X-射线吸收谱、透射电镜、核磁共振等都是研究电极和电解质体相信息，而电化学储能中的关键过程是发生在电极和电解质的表面和界面区域，因此发展原位在线电化学表界面表征方法尤为迫切和重要。

　　Langmuir、Ertl等人建立起来的表面化学方法学能够获得固体表面结构和化学信息，已经在多相催化等领域中取得巨大的成功，但是将这些技术应用到电化学过程的原位表界面表征还充满挑战。傅强团队近年来探索利用表面化学方法学研究电化学表界面问题。本工作中，研究人员通过多年探索，构建了适合原位表面表征的模型电池，设计了一系列相关的原位样品池和样品台，成功实现了对铝离子电池过程的多种在线表界面表征，包括XPS、AFM、SKPM、Raman、掠角XRD等。研究发现充电过程中石墨电极表面区域阳离子（EMI+）与阴离子（AlCl4-）共插层嵌入到石墨层间，证实电极表面区域的插层离子超富集现象；基于电极过程的精准在线测量，首次给出铝离子电池电极反应的定量描述，揭示储能电极存在明显的表面效应，利用该效应构建以超薄石墨为电极的电池器件实现了容量翻倍。
　　相关工作以题为“Operando Surface Science Methodology Reveals Surface Effect in Charge Storage Electrodes”发表在《国家科学评论》（Natl. Sci. Rev.）上，并被选为封面论文。该工作的第一作者是我所502组2015级博士研究生王超。该工作得到国家自然科学基金科学中心和杰出青年基金、科技部重点研发、中科院B类先导专项“能源化学转化的本质与调控”、两所融合基金等项目的支持。（文/图 王超）
　　文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa289


       文章来源：大连化物所
       傅强，中国科学院大连化学物理研究所研究员。1996年和2000年在北京理工大学分别获得学士和博士学位；2000年到2006年先后在德国马普学会金属研究所(Max Planck Institute for Metal Research)和Fritz Haber研究所(Fritz Haber Institute of the Max Planck Society)做博士后研究；2006年受聘到中国科学院大连化学物理研究所工作，2008年获中国科学院"百人计划"择优支持终期评估获优秀。现为催化基础国家重点实验室研究员，博士生导师，大连洁净能源国家实验室仿生能源材料与系统研究组组长。1999年获首届中国科学院奖学金；2000年获德国马普奖学金；2008年获首届中科院沈阳分院优秀青年学者奖；2011年获辽宁青年科技奖；2012年获得国家自然科学基金委优秀青年基金资助。