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XPS應(yīng)用介紹 | 在電池中的應(yīng)用

更新時間:2023-12-06點擊次數(shù):942

鋰離子電池(LIB)作為一種重要的儲能技術(shù),已經(jīng)普遍應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動汽車和電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域。然而,鋰離子電池技術(shù)方面仍然存在諸多挑戰(zhàn),特別是現(xiàn)有的鋰離子電池電極材料在惡劣條件(如高低溫環(huán)境)下不良的快充特性和安全隱患嚴(yán)重阻礙了其在電動汽車領(lǐng)域中的進(jìn)一步發(fā)展。值得注意的是,如果從LIB的外部或內(nèi)部加熱或冷卻來改變工作溫度,不僅會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,還會降低能源效率和能量/功率密度。因此,研發(fā)一種適用于變溫的新型負(fù)極材料以及深入理解其在充放電過程中的電化學(xué)變化是當(dāng)前研究的重點。

X射線光電子能譜儀(XPS)作為表面分析領(lǐng)域重要的大型科學(xué)儀器,可以提供高表面靈敏(<10 nm)和高空間分辨(<10 um)的元素組分和化學(xué)態(tài)解析能力,還可以對膜層結(jié)構(gòu)提供深度分析。因此XPS已經(jīng)普遍用于鋰電池的研究中,例如鋰電池的負(fù)極材料、正極材料、隔膜和電解質(zhì)界面等。

實例一

通過固態(tài)反應(yīng)法合成了一種鎳鈮氧化物(Ni2Nb34O87)電極,并研究了其在不同溫度下(?10、25和60 ℃)的鋰離子存儲性能。 

Ni2Nb34O87的晶體結(jié)構(gòu)

為探究樣品在充放電過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),在本項工作中利用XPS分析技術(shù)獲取樣品中Nb元素的化學(xué)狀態(tài)。XPS結(jié)果表明原始樣品的Nb為Nb5+;在0.8 V放電鋰化過程中,部分Nb5+被還原為Nb4+和Nb3+;然而,在3.0 V充電去鋰化過程中,Nb元素全部被氧化為Nb5+。研究結(jié)果證明了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+可以發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng),該電極有著良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《Advance Energy Materials》期刊。[1]

Ni2Nb34O87在(I)原始、(II)0.8 V放電

和(III)3.0 V充電狀態(tài)下Nb 3d的XPS圖譜。

實例二 

通過靜電紡絲及分步煅燒法合成部分還原的TiNb24O62(PR-TNO)纖維,利用XPS進(jìn)一步揭示PR-TNO的工作機理。

TNO和PR-TNO的制備過程。

首先,XPS結(jié)果證實了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+的高度可逆氧化還原反應(yīng)。此外,PR-TNO中部分還原的Ti3+和Nb4+增強了電子導(dǎo)電性。因此在?20℃下,鋰離子電池達(dá)到了較大的可逆容量。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Advanced Science》期刊。[2]

 PR-TNO在(I)原始、(II)0.8 V放電和(III)3.0 V充電狀態(tài)下Nb 3d的XPS圖譜。

ULVAC-PHI作為全球技術(shù)先進(jìn)的表面分析儀器廠商,一直致力于提供的技術(shù)和質(zhì)的服務(wù),并期盼與我們的用戶共同推動表面分析技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,以及提升大型科學(xué)儀器的“創(chuàng)新服務(wù)產(chǎn)出"水平。

參考文獻(xiàn):

[1] https://doi.org/10.1002/aenm.202102550

[2] https://doi.org/10.1002/advs.202105119

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