Investigation of ion dynamics of devices with ionic liquid mixture electrolytes using X-ray photoelectron spectroscopy with electrical biasing

X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), uzun zamandır malzemelerin yüzey bileşimi, kimyasal konumları ve elektronik ortamlarını incelemek için kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise XPS, yalnızca bu geleneksel amaçlar için değil, aynı zamanda uygulanan AC ve/veya DC gerilimleri altında iç yörüngelerindeki elektronların bağlanma enerjilerindeki kaymaları izleyerek yerel potansiyel profillerini ortaya çıkarmak amacıyla da kullanılmıştır. Bu hedefe ulaşmak için iki tamamlayıcı cihaz mimarisi seçilmiştir: (i) frekansa bağlı yük taramasını, iyonik sıvı tabakası boyunca potansiyel düşüşünü ve kare dalga uyarımı altında devre modellerini oluşturmak için uygun olan platin-platin (Pt -Pt) düzlemsel elektrot kapasitörler; ve (ii) elektrosorpsiyon dinamiklerini, açık devre potansiyeli (OCP) etkilerini ve kısa devre sonrasında kalan yük davranışını incelemek için kullanılan çok katmanlı grafen – çok katmanlı grafen (MLG-MLG) elektrot içeren aygıtlar. Bu sistemlerdeki dinamik şarj ve deşarj süreçlerini çözümlemek için değişen frekanslarda kare dalga (SQW) AC sinyali uygulanmıştır. Düzlemsel kapasitör yapılandırması, iki elektrotu birleştiren polietilen membran (PEM) üzerine N,N-Dietil-N-metil-N-(2-metoksietil)amonyum bis(triflorometansülfonil)imid (DEME-TFSI) iyonik sıvısı veya DEME-TFSI ile N,N-Dietil-2-metoksi-N-metiletanamonyum tetrafloroborat (DEME-BF4) iyonik sıvısının ~1:1 hacim karışımı ile kaplanarak elde edilmiştir. Ölçümler XPS spektrumları ile akım verilerinin eşzamanlı olarak kaydedilmesini sağlayan in-operando koşullarda gerçekleştirilmiştir. İyonik sıvılar, geniş elektrokimyasal pencere ve termal ve kimyasal kararlılık gibi avantajlar sunar, ancak yüksek viskoziteleri iyon hareketliliğini ve iletkenliğini kısıtlamaktadır. Bu olumsuzlukları aşabilmek için farklı iyonik sıvıların karıştırılması ve özelliklerinin istenilen şekilde ayarlanması planlanmıştır. Bu amaçla, DEME-TFSI ve DEME-BF4 karışımı hazırlanmış ve TFSI ile BF4 anyonları arasındaki belirgin boyut farkının cihaz davranışına etkileri XPS yoluyla ayrıntılı olarak incelemiştir. Ayrıca, küçük bir katyon olan Rb'un yüzey bileşimi ve yük depolama üzerindeki etkisini değerlendirmek amacıyla yaklaşık %10 oranında Rb-TFSI içeren bir DEME-TFSI karışımı incelenmiştir. XPS ölçümleri, Rb+ iyonlarının uygulanan voltajın polaritesine duyarlı şekilde yüzeyde biriktiğini göstermiştir. Bu durum, akımda gözlenen artış ile de uyumludur. Sonuç olarak, hem Pt-Pt hem de MLG-MLG mimarilerini kullanan bu metodoloji, XPS'in yerel elektrokimyasal süreçleri incelemede güçlü bir araç olduğunu göstermiştir. Bu teknik, gelecek nesil enerji toplama ve depolama sistemlerinin geliştirilmesine önemli katkılarda bulunabilecek yeni bilgiler sunmaktadır.