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化学所郭玉国研究员团队与岛津合作设计并搭建了适用于原位电化学的X-射线光电子能谱仪（图1）。仪器致力服务于能源存储器件界面研究。为理解储能器件相关的界面问题，揭示电化学反应过程中界面膜的形成过程，阐明电池体系中界面特性与离子输运关系及离子在界面上的传输特性提供支撑；从而推动高比能新型化学电源与关键新材料体系的发展。
图1：中国科学院化学研究所原位电化学X射线光电子能谱仪
郭玉国研究员，2007年起任中科院化学所研究员，课题组长，现任中国科学院大学岗位教授，博士生导师，中科院分子纳米结构与纳米技术重点实验室副主任，中国化学会电化学专业委员会副主任、科睿唯安全球高被引学者、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事和副秘书长。团队主要研究方向为能源电化学与纳米材料的交叉研究。在高比能锂离子电池、锂硫（硒）电池、固态电池、钠离子电池等电池技术及其关键材料方面取得一些研究成果，致力于推动基础研究成果的实际应用，开发出的高性能硅基负极材料实现了成果转化。在国际知名期刊上发表SCI论文380余篇，他人引用超过51000次，h指数为116，连续9年被科睿唯安评选为全球“高被引科学家”，出版电池方面英文专著1部。获外国发明专利授权11项，中国发明专利授权116项，成果转化多项。主持承担科技部国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国科学院重点部署项目、中国科学院战略先导项目课题、北京市自然科学基金重点研究专题项目、北京市、工信部和企业的横向项目。曾荣获中国青年科技奖、中国科学院青年科学家奖、国际电化学委员会ISE Tajima奖、国际能量存储与创新联盟青年成就奖、国际电化学能源科学院IAOEES研究奖、美国麻省理工学院《Technology Review》“全球杰出青年创新家TR35” 等学术奖项。
研究团队网站：http://mnn.iccas.ac.cn/guoyuguo/
实现“双碳”目标的时代背景下迫切需要发展高效电能存储技术，锂离子电池作为电化学能源储存器件之一，在便携式电子设备及电动汽车等领域得到广泛应用。其中高镍正极材料由于具有高容量和低成本的特点，是非常有前景的高比能锂离子电池正极材料之一。然而高镍正极材料严重的界面副反应与充放电过程的体积形变导致容量衰减快、安全性差与机械失效等问题，严重限制了其大规模商业应用。本期岛津XPS 用户成果分享主要介绍化学所郭玉国研究团队近期在高镍三元正极材料领域研究的一些进展及XPS测试技术在其中的应用。
高镍正极材料的界面改性
空气稳定性差与表面残碱问题限制了高镍正极材料的应用，传统改善方法是采用水洗、液相包覆等方法降低表面残碱，提高界面稳定性。虽然上述界面改性方法有效，但是液相包覆工艺流程长、复杂。高镍正极材料需要在干燥环境中使用，表明其空气稳定性差的主要原因是与空气中的水反应，对空气中二氧化碳是相对稳定，基于此研究团队创新性地通过控制O2与CO2混合气的比例与材料烧结温度，在高镍正极表面原位构筑致密无定形Li2CO3纳米包覆层，该包覆层有效阻挡高镍正极与空气中的H2O接触，提高了高镍正极材料空气稳定性。将处理前后正极材料暴露空气存储，使用XPS测试结合氩离子刻蚀对样品表面残碱成分进行检测。从不同刻蚀深度的XPS谱图和组分定量分析中可以发现（图2），未改性高镍正极材料会随着暴露时间的增加残留锂的总量不断增加，残碱主要为LiOH。改性后样品表面残碱增加非常缓慢，残碱组成主要为Li2CO3。结果验证了高镍正极表面包覆适量的无定形致密碳酸锂有助于空气稳定性的提升。
图2.暴露空气存储后高镍正极材料（Ni90）的C 1s、O 1s和Ni 2p不同深度XPS图谱。
进一步团队利用搭建的XPS结合TOF-SIMS研究发现电化学循环过程中Li2CO3可以转化成稳定的富氟正极/电解质界面相，提高材料循环稳定性。基于该方法批量制备的高镍正极材料LiNi0.9Co0.06Mn0.04O2比容量高达232 mAh/g，该工作为高比能电极材料提供了一种易于产业化的界面改性方法，同时带来高镍三元正极表面锂残留问题的新认识[1]。
参考文献：
1. Hang Sheng, Xin-Hai Meng, Dong-Dong Xiao, Min Fan, Wan-Ping Chen, Jing Wan, Jilin Tang, Yu-Gang Zou, Fuyi Wang, Rui Wen, Ji-Lei Shi*, Yu-Guo Guo*, Adv. Mater. 2022, 34, 2108947.
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