島津XPS用戶成果分享丨用于全固態鋰金屬電池的動力學穩定的混合導體界面層

本期島津XPS 用戶成果分享將繼續分享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——用于全固態鋰金屬電池的動力學穩定的混合導體界面層

鋰金屬負極在沉積–脫除過程會產生具有大比表面的枝晶，經過長循環后，大量生長的枝晶可能會穿透隔膜導致電池短路并帶來安全隱患。而采用全固態電解質替代傳統電解液能夠抑制鋰金屬枝晶的生長，是實現電池本質安全的最終解決方案。現階段，采用硫化物固體電解質的全固態鋰金屬電池因其具有高安全性越來越受到人們的關注。然而，硫化物電解質對鋰金屬不穩定，通常會導致兩種不良中間相的形成，即SEI和混合導電中間相（MCI），這嚴重阻礙了鋰離子的快速傳輸，導致鋰金屬沉積不均勻和界面持續降解。針對上述問題，課題組提出了通過原位應力自限制反應構筑動力學穩定的混合MCI，以實現鋰金屬與復合硫化物電解質（Li₆PS₅Cl（LPSCl）和Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS））的相容性。該復合電解質與鋰金屬接觸時，發生的副反應會導致應力的增大，而應力又會反過來抑制副反應的持續發生。該工作采用XPS的深度剖析，研究了中間相的組成、分布（圖1）。通過XPS，表征了復合電解質與鋰金屬存在界面處的副反應生成了Li₂S、Li₃P、與Li–Ge合金等分解產物。借助氬離子刻蝕，表征了這些分解產物含量隨深度方向不斷降低，而分解產物以部分還原產物為主，證明了復合電解質的持續分解得到了抑制。結合XRD對電解質結構表征得到此時的電解質展現出更加致密的結構，證實了應力自限制反應的存在。并且，該復合電解質會促進鋰金屬更加均勻平整的沉積。最終，采用該復合電解質的Li | NCM622電池具有優秀的倍率性能，在循環100圈后具有93.7%的高容量保持率。

圖1.  三種不同固態電解質與鋰金屬形成的中間相、XPS對SEI的表征與采用復合電解質的全電池倍率性能。

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

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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