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XPS应用丨单色化Ag靶表征锂离子电池SEI膜结构(二)

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2022/11/10 13:34:06


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本次我们继续介绍分别使用Al Ka X射线源和Ag La X射线源表征充/放电循环期间在石墨负极表面形成的SEI膜的结构。

 

实验研究了电池的三种充放电循环状态,分别为:

 

新制备

单次充放电

100次充放电

 

以下为使用单色化Al Ka 和Ag La X射线源分析SEI膜的化学态结果:

 

Part 1

SEI膜表面元素化学态—单色Al X射线源

 

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1  Al Ka X射线源表征SEI膜 F 1s图谱

 

F1s谱图中可以看出,即使是新制备的样品也有部分LiPF降解为Li-Fx。在单次充电/放电循环之后,在负极形成的SEI膜中观察到LiF。在进一步循环之后,SEI层中出现电解质分解产物LixPFy,LiF的比例下降。

 

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2  Al Ka X射线源表征SEI膜 C1s图谱

 

C 1s的谱图中可以看出,新制备的样品主要由石墨和烃类以及含氧物质(醚C-O、碳基C=O和酯–O-C(=O )组成。随着循环次数的增加,石墨碳减少、烃类、含氧物质增多、其中CO归属为LiCO

 

3为碳的不同化学态以及LiF、LiCO相对于新制备的负极表面的石墨组分的含量变化,由此可知SEI层由含有机碳材料和无机 LiF、LixPFy 和 LiCO 组成。

A)表明相对于未循环,充电/放电循环引起的碳氢化合物和碳氧物质的增加,石墨成分的衰减表明 SEI 层厚度约为8—9 nm(Al Ka激发C 1s 光电子的采样深度)

B)表明充电/放电循环次数增加,LiF 浓度降低,而 LiCO 随着循环次数的增加而增加

 

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3  Al Ka X射线源表征SEI膜不同化学态随充放电循环次数的含量变化

 

Part 2

SEI膜表面元素化学态—更深的分析深度单色Ag X射线源

 

使用更高能量的 Ag La单色 X 射线源对相同样品重复 XPS 测量。以下为三个样品的F1s的XPS精细谱:

 

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4  Ag La 与Al Ka X射线源表征SEI膜 F 1s图谱

 

Al Ka X射线源的F1s 对比可知,由于Ag La的分析深度更深,在第一次充放电之后,LiPF的比例相较于Al Ka更高,LiF的含量减少。

 

5为Ag La表征SEI膜中碳的不同化学态以及LiF、LiCO相对于新制备的负极表面的石墨组分的含量变化。

 

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5  Ag La X射线源表征SEI膜不同化学态随充放电循环次数的含量变化

 

Ag靶与 Al Ka 激发光谱相比,LiF 和 LiCO 物种的相对变化都随着充电/放电循环次数的增加而增加。由于Ag靶的分析深度更深,使用 Ag La 激发的 LiF 浓度增加,说明SEI层结构最外层是LiCOLiF分布在更内层。下图为100次充放电循环后的SEI层结构示意图。

 

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6  100次充放电循环后的SEI层结构示意图

 

更多信息可通过观看下方视频了解

Characterisation of SEI on graphitic anode with Ag La X-rays》

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本研究通过惰性气体传输器将制备的样品通转运至XPS上,确保样品在引入光电子能谱仪之前不暴露于环境条件,在岛津的Axis Supra+可以轻松实现Al Ka和Ag La之间的切换,实现对样品同一位点的不同深度的分析。

 

本文内容非商业广告,仅供专业人士参考。

 


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