XPS應用介紹 | 在電池中的應用

鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)池(chi)（LIB）作為一(yi)(yi)種重要的(de)(de)(de)(de)儲(chu)(chu)能技(ji)術，已經普遍應用(yong)于(yu)便攜式電(dian)(dian)子(zi)設備、電(dian)(dian)動汽車和電(dian)(dian)網(wang)儲(chu)(chu)能等(deng)領域(yu)。然而，鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)池(chi)技(ji)術方(fang)面仍然存在諸多挑(tiao)戰(zhan)，特別是現有的(de)(de)(de)(de)鋰離(li)子(zi)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)極(ji)材料(liao)(liao)在惡(e)劣(lie)條件（如(ru)(ru)高低溫(wen)環(huan)境）下不良的(de)(de)(de)(de)快充特性和安(an)全隱患嚴重阻礙了其(qi)在電(dian)(dian)動汽車領域(yu)中的(de)(de)(de)(de)進一(yi)(yi)步發展。值得(de)注意的(de)(de)(de)(de)是，如(ru)(ru)果從LIB的(de)(de)(de)(de)外部(bu)或(huo)內部(bu)加熱或(huo)冷卻來改變(bian)工作溫(wen)度(du)(du)，不僅(jin)會增加系統(tong)的(de)(de)(de)(de)復(fu)雜性，還會降(jiang)低能源效率(lv)和能量/功率(lv)密度(du)(du)。因此，研發一(yi)(yi)種適(shi)用(yong)于(yu)變(bian)溫(wen)的(de)(de)(de)(de)新型負極(ji)材料(liao)(liao)以及深入理解其(qi)在充放電(dian)(dian)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)化學變(bian)化是當前研究的(de)(de)(de)(de)重點。

X射線光電子能(neng)譜儀（XPS）作為表面分析領域重要的大型科學儀器，可(ke)以(yi)提供高表面靈(ling)敏（<10 nm）和(he)高空間(jian)分辨(<10 um)的元(yuan)素(su)組(zu)分和(he)化學態解(jie)析能(neng)力，還可(ke)以(yi)對膜(mo)層結構提供深度(du)分析。因(yin)此(ci)XPS已經(jing)普遍用于鋰電池的研(yan)究中，例(li)如(ru)鋰電池的負極材料(liao)(liao)、正極材料(liao)(liao)、隔(ge)膜(mo)和(he)電解(jie)質界面等。

實例一

通過固態反應法合成(cheng)了一種鎳鈮氧化物（Ni2Nb34O87）電極，并研(yan)究了其(qi)在不同溫度下(xia)（?10、25和(he)60 ℃）的鋰離子存儲性能。 

Ni2Nb34O87的晶體結構

為(wei)探究樣品在充放電過程中(zhong)(zhong)發生(sheng)的化(hua)(hua)學(xue)(xue)反應，在本(ben)項工(gong)作中(zhong)(zhong)利用XPS分析(xi)技術(shu)獲(huo)取樣品中(zhong)(zhong)Nb元(yuan)素的化(hua)(hua)學(xue)(xue)狀態。XPS結(jie)果表(biao)明原始樣品的Nb為(wei)Nb5+；在0.8 V放電鋰化(hua)(hua)過程中(zhong)(zhong)，部(bu)分Nb5+被還原為(wei)Nb4+和Nb3+；然而(er)，在3.0 V充電去鋰化(hua)(hua)過程中(zhong)(zhong)，Nb元(yuan)素全(quan)部(bu)被氧化(hua)(hua)為(wei)Nb5+。研究結(jie)果證(zheng)明了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+可以發生(sheng)可逆的氧化(hua)(hua)還原反應，該(gai)電極有著良(liang)好的循環(huan)穩定性。

相關(guan)研究(jiu)成果發表在(zai)《Advance Energy Materials》期刊(kan)。[1]

Ni2Nb34O87在（I）原始、（II）0.8 V放電

和（III）3.0 V充電狀態下Nb 3d的XPS圖譜。

實例二(er) 

通過靜電(dian)紡絲及分(fen)步(bu)煅燒法(fa)合成部分(fen)還原的TiNb24O62（PR-TNO）纖維，利用XPS進一(yi)步(bu)揭(jie)示PR-TNO的工作機理。

TNO和PR-TNO的制備過程。

首先，XPS結(jie)果(guo)證(zheng)實了Nb4+/Nb5+和(he)Nb3+/Nb4+的高度可逆氧化還原(yuan)反(fan)應。此(ci)外(wai)，PR-TNO中部分還原(yuan)的Ti3+和(he)Nb4+增強了電(dian)子(zi)導電(dian)性。因此(ci)在?20℃下，鋰離子(zi)電(dian)池(chi)達到(dao)了較大(da)的可逆容(rong)量。相關(guan)研(yan)究成果(guo)發(fa)表(biao)在《Advanced Science》期刊。[2]

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

ULVAC-PHI作為全球技術先進(jin)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)分析(xi)儀器廠商，一(yi)直致力于提(ti)供的(de)(de)技術和質(zhi)的(de)(de)服(fu)務(wu)(wu)，并期盼(pan)與(yu)我(wo)們的(de)(de)用戶共同推動表(biao)面(mian)(mian)分析(xi)技術的(de)(de)應(ying)用和發展(zhan)，以及提(ti)升大型科學(xue)儀器的(de)(de)“創(chuang)新服(fu)務(wu)(wu)產出"水(shui)平。

參考文獻：

[1] //doi.org/10.1002/aenm.202102550

[2] //doi.org/10.1002/advs.202105119