岛津XPS用户成果分享丨纳米级结构调控改善固体电解质中间相实现稳定锂金属电池（第一弹）

实现碳中和目标与可持续发展需要使用清洁的可再生能源来构建现代能源系统，以二次电池为代表的储能技术是新能源革命的重要组成部分。现阶段，采用石墨负极的锂离子电池受限于其插层机制，其能量密度已经接近上限。与锂离子电池相比，采用比容量更高和工作电位更低的锂金属作为负极的锂金属电池，可实现超过500Wh kg⁻¹的实际能量密度。然而，锂金属负极的循环稳定性差，阻碍了它的实际应用。本期岛津XPS 用户成果分享主要介绍北京理工大学黄佳琦教授研究团队近期在锂金属负极领域研究的一些进展及XPS测试技术在其中的应用。

01  团队介绍

黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。

2007及2012年于清华大学化学工程系取得本科及博士学位，2016年加入北京理工大学。长期从事前沿界面能源化学相关研究，面向高比能、高安全、长寿命的锂硫及金属锂等新体系电池应用需求，开展其中界面电化学转化机制，界面关键能源材料等相关研究，并拓展其在高性能电池实用化器件中的应用。相关研究成果在Nat Energy, Adv Mater, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed等期刊发表研究工作200余篇，h因子为105，其中80余篇为ESI高被引论文。曾获评中国青年科技奖特别奖，中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，中国颗粒学会青年颗粒学奖，入选2018‒2023年科睿唯安“全球高被引科学家”等。

02  成果简介

纳米级结构调控改善固体电解质中间相实现稳定锂金属电池

固体电解质中间相（SEI）来源自电解液在锂金属负极表面分解的产物，其均匀性对锂金属负极的循环稳定性起着至关重要的作用。不均匀的SEI会导致锂离子输运不均匀，进一步造成了锂金属沉积–脱除的不均匀，引发SEI的破裂和重构，该过程还会不断消耗活性锂，造成锂金属负极稳定性下降。SEI的均匀性与其中的组成和空间结构息息相关。现阶段，通过电解液设计来调控SEI的成分和空间结构是常用的方式。其中，LiNO3能够在SEI中引入稳定的LiNxOy，被认为是能够改善SEI和锂金属沉积脱除均匀性的有效添加剂，但仍存在溶解度低、反应活性不足等缺点。因此，课题组提出了采用二硝基异山梨酯（ISDN）作为LiNO3的替代品，并通过氩气保护进样条件的XPS解析了LiNxOy空间分布与SEI均匀性之间的关系（图1）。本研究将ISDN作为添加剂溶解在LiFSI: DME: HFE基局部高盐电解液中，通过XPS深度剖析研究了该电解液中生成的SEI结构。结果表明，ISDN的加入在锂金属表面生成了具有双层结构的SEI，其中ISDN生成的LiNxOy占据顶层，而锂盐生成的LiF主导底层。定量分析XPS数据得到，ISDN加入后的SEI表层中来自LiNxOy­­的N含量占据了总N含量的52%。这种双层SEI能够显著提升锂金属负极沉积的均匀性，缓解了经过多圈循环后累积的非活性锂量。除此之外，本工作还结合XPS辅助定量分析了电解液和锂金属反应的消耗量。通过分析锂盐的分解产物如Li2S、SO42−、SO32−等含硫物种在总元素组成中的贡献，解析得到ISDN的加入后，锂盐的分解量显著下降。将锂金属电池的循环寿命从197圈延长至625圈，实现了实称能量密度430 Wh kg−1的Li | NCM523软包电池稳定循环173圈。

图1. 借助XPS–手套箱联用系统对不同电解液中锂金属表面SEI的表征

03 仪器简介

图2. 北京理工大学极端环境能源材料与器件研究中心X-射线光电子能谱仪–手套箱联用系统

北京理工大学极端环境能源材料与器件研究中心和岛津合作搭建了X-射线光电子能谱仪（XPS）–手套箱联用系统（图2），致力于能源存储器件中电极材料的表界面成分分析。XPS作为重要的表面分析手段, 可以定性和半定量地进行表界面的化学分析, 被广泛应用于锂电池界面的研究，以解析金属锂电池中电极/电解液界面处发生的反应，明确金属锂负极界面膜优势成分，助力具有高比能和长循环稳定性锂金属电池的研究。本仪器将XPS与手套箱联用，避免锂金属样品在转移过程中与空气接触反应，有效保障了锂金属在转移过程中的稳定性，为真实揭示锂金属负极表面组分提供了有力支持。

参考文献

Q.-K. Zhang, S.-Y. Sun, M.-Y. Zhou, L.-P. Hou, J.-L. Liang, S.-J. Yang, B.-Q. Li, X.-Q. Zhang, J.-Q. Huang, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202306889.

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