島津XPS用戶成果分享丨利用聚合物–溶劑相互作用獲得氟化SEI

本期島津XPS 用戶成果分享繼續介紹北京理工大學黃佳琦教授研究團隊近期在鋰金屬負極領域研究的一些進展及XPS測試技術在其中的應用。

成果展示——利用聚合物–溶劑相互作用獲得氟化SEI

SEI的成分影響著鋰離子在其中的輸運行為。其中，LiF被廣泛認為是一種能夠促進鋰離子均勻傳輸的一種優勢SEI組分。然而，來自電解液中溶劑或鋰鹽分解產生富含LiF的SEI的手段過于復雜，難以指導電解液配方的快速篩選。因此，尋找一種更為有效的手段來構筑富含LiF的SEI是十分必要的。通常，聚合物具有一些極性官能團或位點能夠與溶劑、陰離子或極性添加劑相互作用。利用該方法，課題組通過調節鋰金屬負極上的聚合物涂層和電解質中的氟代碳酸乙烯酯（FEC）之間的相互作用，實現了富含LiF的SEI。本工作使用聚丙烯腈大分子鏈轉移劑和甲基丙烯酸磺酸鈉共聚反應合成的嵌段聚合物PAN-b-PSBMA，將其靜電紡絲方法大規模制備并與鋰金屬輥壓制備得到聚合物涂層。經過電池中循環后，聚合物涂層上出現了納米級小顆粒，并利用透射電子顯微鏡證實了該顆粒為LiF。通過將電解液中的含F鋰鹽LiPF6和含氟添加劑FEC更換，發現該聚合物是與FEC相互作用，促進了FEC的分解得到的。該工作進一步采用XPS檢測了這種反應對SEI中LiF的貢獻（圖1），結果顯示，嵌段聚合物的引入使得鋰金屬表面的LiF含量占了總元素含量的7.1%，顯著高于常規鋰金屬的4.5%。并且，在深度剖析之后，采用嵌段聚合物鋰金屬的F含量始終保持，證明了LiF在SEI中均勻分布并大量存在。最終，采用該嵌段聚合物的鋰金屬負極在1.0 Ah級別軟包電池中循環180圈后保持了90%的容量保持率。

圖1. 采用PAN-b-PSBMA/Li的富含LiF的SEI表征及其工作機制。

儀器介紹

北京理工大學極端環境能源材料與器件研究中心和島津合作搭建了X-射線光電子能譜儀（XPS）–手套箱聯用系統（圖2），致力于能源存儲器件中電極材料的表界面成分分析。XPS作為重要的表面分析手段, 可以定性和半定量地進行表界面的化學分析, 被廣泛應用于鋰電池界面的研究，以解析金屬鋰電池中電極/電解液界面處發生的反應，明確金屬鋰負極界面膜優勢成分，助力具有高比能和長循環穩定性鋰金屬電池的研究。本儀器將XPS與手套箱聯用，避免鋰金屬樣品在轉移過程中與空氣接觸反應，有效保障了鋰金屬在轉移過程中的穩定性，為真實揭示鋰金屬負極表面組分提供了有力支持。

圖2. 北京理工大學極端環境能源材料與器件研究中心X-射線光電子能譜儀–手套箱聯用系統

參考文獻

Y.-X. Zhan, Z.-Y. Liu, Y.-Y. Geng, P. Shi, N. Yao, C.-B. Jin, B.-Q. Li, G. Ye, X.-Q. Zhang, J.-Q. Huang, Energy Storage Mater. 2023, 60, 102799.

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