岛津XPS用户成果分享丨用于全固态锂金属电池的动力学稳定的混合导体界面层

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本期岛津XPS 用户成果分享将继续分享北京理工大学黄佳琦教授研究团队近期在锂金属负极领域研究的一些进展及XPS测试技术在其中的应用。

成果展示——用于全固态锂金属电池的动力学稳定的混合导体界面层

锂金属负极在沉积–脱除过程会产生具有大比表面的枝晶，经过长循环后，大量生长的枝晶可能会穿透隔膜导致电池短路并带来安全隐患。而采用全固态电解质替代传统电解液能够抑制锂金属枝晶的生长，是实现电池本质安全的最终解决方案。现阶段，采用硫化物固体电解质的全固态锂金属电池因其具有高安全性越来越受到人们的关注。然而，硫化物电解质对锂金属不稳定，通常会导致两种不良中间相的形成，即SEI和混合导电中间相（MCI），这严重阻碍了锂离子的快速传输，导致锂金属沉积不均匀和界面持续降解。针对上述问题，课题组提出了通过原位应力自限制反应构筑动力学稳定的混合MCI，以实现锂金属与复合硫化物电解质（Li6PS5Cl（LPSCl）和Li10GeP2S12（LGPS））的相容性。该复合电解质与锂金属接触时，发生的副反应会导致应力的增大，而应力又会反过来抑制副反应的持续发生。该工作采用XPS的深度剖析，研究了中间相的组成、分布（图1）。通过XPS，表征了复合电解质与锂金属存在界面处的副反应生成了Li2S、Li3P、与Li–Ge合金等分解产物。借助氩离子刻蚀，表征了这些分解产物含量随深度方向不断降低，而分解产物以部分还原产物为主，证明了复合电解质的持续分解得到了抑制。结合XRD对电解质结构表征得到此时的电解质展现出更加致密的结构，证实了应力自限制反应的存在。并且，该复合电解质会促进锂金属更加均匀平整的沉积。最终，采用该复合电解质的Li | NCM622电池具有优秀的倍率性能，在循环100圈后具有93.7%的高容量保持率。

图1.  三种不同固态电解质与锂金属形成的中间相、XPS对SEI的表征与采用复合电解质的全电池倍率性能。

仪器介绍

北京理工大学极端环境能源材料与器件研究中心和岛津合作搭建了X-射线光电子能谱仪（XPS）–手套箱联用系统（图2），致力于能源存储器件中电极材料的表界面成分分析。XPS作为重要的表面分析手段, 可以定性和半定量地进行表界面的化学分析, 被广泛应用于锂电池界面的研究，以解析金属锂电池中电极/电解液界面处发生的反应，明确金属锂负极界面膜优势成分，助力具有高比能和长循环稳定性锂金属电池的研究。本仪器将XPS与手套箱联用，避免锂金属样品在转移过程中与空气接触反应，有效保障了锂金属在转移过程中的稳定性，为真实揭示锂金属负极表面组分提供了有力支持。

图2. 北京理工大学极端环境能源材料与器件研究中心X-射线光电子能谱仪–手套箱联用系统

参考文献

S. Li, S.-J. Yang, G. X. Liu, J. K. Hu, Y. L. Liao, X. L. Wang, R. Wen, H. Yuan, J. Q. Huang, Q. Zhang, Adv. Mater. 2023. DOI: 10.1002/adma.202307768.

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