PHI XPS用户成果赏析｜青岛大学能源与环境材料研究院

         锂离子电池（LIB）作为一种重要的储能技术，已经广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和电网储能等领域。然而，锂离子电池技术方面仍然存在诸多挑战，特别是现有的锂离子电池电极材料在极端条件（如高低温环境）下不良的快充特性和安全隐患严重阻碍了其在电动汽车领域中的进一步发展。值得注意的是，如果从LIB的外部或内部加热或冷却来改变工作温度，不仅会增加系统的复杂性，还会降低能源效率和能量/功率密度。因此，研发一种适用于变温的新型负极材料以及深入理解其在充放电过程中的电化学变化是当前研究的重点。

         X射线光电子能谱仪（XPS）作为表面分析领域重要的大型科学仪器，可以提供高表面灵敏（<10 nm）和高空间分辨（<10 um）的元素组分和化学态解析能力，还可以对膜层结构提供深度分析。因此XPS已经广泛用于锂电池的研究中，例如锂电池的负极材料、正极材料、隔膜和电解质界面等。

         青岛大学能源与环境材料研究院（Institute of Materials for Energy and Environment）主要致力于二次电池（锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池和钠离子电池等）、超级电容器、燃料电池及新型功能材料等研究。为了对电池开展深入研究，该研究院采购了PHI XPS 设备（PHI 5000 Versaprobe III）。在PHI 公司售后和应用团队的支持下，该设备一直保持着出色的运行状态，为相关研究提供了大量重要实验数据，至今已在Advanced Science、Advance Energy Materials、ACS Energy Letters、Carbon及Chemical Engineering Journal等国内外顶级期刊发表学术文章累计达70余篇。^[1]

图1.青岛大学能源与环境材料研究院PHI XPS设备

下面我们来欣赏一下青岛大学能源与环境材料研究院利用PHI XPS所发表的研究成果：

研究成果1

通过固态反应法合成了一种镍铌氧化物（Ni₂Nb₃₄O₈₇）电极，并研究了其在不同温度下（−10、25和60 ℃）的锂离子存储性能。

图2. Ni₂Nb₃₄O₈₇的晶体结构

为探究样品在充放电过程中发生的化学反应，在本项工作中利用XPS分析技术获取样品中Nb元素的化学状态。XPS结果表明原始样品的Nb为Nb⁵⁺；在0.8 V放电锂化过程中，部分Nb⁵⁺被还原为Nb⁴⁺和Nb³⁺；然而，在3.0 V充电去锂化过程中，Nb元素全部被氧化为Nb⁵⁺。研究结果证明了Nb⁴⁺/Nb⁵⁺和Nb³⁺/Nb⁴⁺可以发生可逆的氧化还原反应，该电极具有良好的循环稳定性。相关研究成果发表在《Advance Energy Materials》期刊。^[2]

图3. Ni2Nb34O87在（I）原始、（II）0.8 V放电和（III）3.0 V充电状态下Nb 3d的XPS图谱

研究成果2

通过静电纺丝及分步煅烧法合成部分还原的TiNb₂₄O₆₂（PR-TNO）纤维，利用XPS进一步揭示PR-TNO的工作机理。

图4. TNO和PR-TNO的制备过程

首先，XPS结果证实了Nb⁴⁺/Nb⁵⁺和Nb³⁺/Nb⁴⁺的高度可逆氧化还原反应。此外，PR-TNO中部分还原的Ti³⁺和Nb⁴⁺增强了电子导电性。因此在−20℃下，锂离子电池达到了较大的可逆容量。相关研究成果发表在《Advanced Science》期刊。[3]

图5. PR-TNO在（I）原始、（II）0.8 V放电和（III）3.0 V充电状态下Nb 3d的XPS图谱

ULVAC-PHI作为全.球技术领先的表面分析仪器厂商，一直致力于提供最.先进的技术和最优质的服务，并期盼与我们的用户共同推动表面分析技术的应用和发展，以及提升大型科学仪器的“创新服务产出”水平。

参考文献：

[1] https://imee.qdu.edu.cn/info/1046/2477.htm

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

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