XPS應用介紹 | 在電池中的應用

鋰離子電池（LIB）作為一種重要的儲能技術(shù)，已經(jīng)普遍應用于便攜式電子設備、電動(dòng)汽車(chē)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，特別是現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重阻礙了其在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中的進(jìn)一步發(fā)展。值得注意的是，如果從LIB的外部或內部加熱或冷卻來(lái)改變工作溫度，不僅會(huì )增加系統的復雜性，還會(huì )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極材料以及深入理解其在充放電過(guò)程中的電化學(xué)變化是當前研究的重點(diǎn)。

X射線(xiàn)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，還可以對膜層結構提供深度分析。因此XPS已經(jīng)普遍用于鋰電池的研究中，例如鋰電池的負極材料、正極材料、隔膜和電解質(zhì)界面等。

實(shí)例一

通過(guò)固態(tài)反應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的晶體結構

為探究樣品在充放電過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應，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結果表明原始樣品的Nb為Nb5+；在0.8 V放電鋰化過(guò)程中，部分Nb5+被還原為Nb4+和Nb3+；然而，在3.0 V充電去鋰化過(guò)程中，Nb元素全部被氧化為Nb5+。研究結果證明了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+可以發(fā)生可逆的氧化還原反應，該電極有著(zhù)良好的循環(huán)穩定性。

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(shí)例二 

通過(guò)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(guò)程。

首先，XPS結果證實(shí)了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+的高度可逆氧化還原反應。此外，PR-TNO中部分還原的Ti3+和Nb4+增強了電子導電性。因此在?20℃下，鋰離子電池達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。

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參考文獻：

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

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