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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

來源:島津企業(yè)管理(中國)有限公司   2024年06月28日 13:36  

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本期島津XPS 用戶成果分享繼續(xù)介紹北京理工大學(xué)黃佳琦教授研究團隊近期在鋰金屬負極領(lǐng)域研究的一些進展及XPS測試技術(shù)在其中的應(yīng)用。

 

成果展示——利用聚合物–溶劑相互作用獲得氟化SEI

 

圖形用戶界面, 文本, 應(yīng)用程序

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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離子均勻傳輸?shù)囊环N優(yōu)勢SEI組分。然而,來自電解液中溶劑或鋰鹽分解產(chǎn)生富含LiF的SEI的手段過于復(fù)雜,難以指導(dǎo)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(gòu)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(diào)節(jié)金屬負極上的聚合物涂層和電解質(zhì)中的氟代碳酸乙烯酯(FEC)之間的相互作用,實現(xiàn)了富含LiF的SEI。本工作使用聚丙烯腈大分子鏈轉(zhuǎn)移劑和甲基丙烯酸磺酸鈉共聚反應(yīng)合成的嵌段聚合物PAN-b-PSBMA,將其靜電紡絲方法大規(guī)模制備并與鋰金屬輥壓制備得到聚合物涂層。經(jīng)過電池中循環(huán)后,聚合物涂層上出現(xiàn)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(xiàn)鋰鹽LiPF6和含氟添加劑FEC更換,發(fā)現(xiàn)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(yīng)對SEI中LiF的貢獻(圖1),結(jié)果顯示,嵌段聚合物的引入使得金屬表面的LiF含量占了總元素含量的7.1%,顯著高于常規(guī)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(huán)180圈后保持了90%的容量保持率。

 

圖示

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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(xué)極端環(huán)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(lián)用系統(tǒng)(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(xué)分析, 被廣泛應(yīng)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(fā)生的反應(yīng),明確金屬負極界面膜優(yōu)勢成分,助力具有高比能和長循環(huán)穩(wěn)定性金屬電池的研究。本儀器將XPS與手套箱聯(lián)用,避免金屬樣品在轉(zhuǎn)移過程中與空氣接觸反應(yīng),有效保障了鋰金屬在轉(zhuǎn)移過程中的穩(wěn)定性,為真實揭示金屬負極表面組分提供了有力支持。

 

廚房的擺設(shè)布局

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2. 北京理工大學(xué)極端環(huán)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(lián)用系統(tǒng)

 

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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