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儀器簡(jiǎn)介

化學(xué)所郭玉國(guó)研究員團(tuán)隊(duì)與島津合作設(shè)計(jì)并搭建了適用于原位電化學(xué)的X-射線光電子能譜儀（圖1）。儀器致力服務(wù)于能源存儲(chǔ)器件界面研究。為理解儲(chǔ)能器件相關(guān)的界面問(wèn)題，揭示電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中界面膜的形成過(guò)程，闡明電池體系中界面特性與離子輸運(yùn)關(guān)系及離子在界面上的傳輸特性提供支撐；從而推動(dòng)高比能新型化學(xué)電源與關(guān)鍵新材料體系的發(fā)展。

圖1：中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所原位電化學(xué)X射線光電子能譜儀

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

郭玉國(guó)研究員，2007年起任中科院化學(xué)所研究員，課題組長(zhǎng)，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院大學(xué)崗位教授，博士生導(dǎo)師，中科院分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)化學(xué)會(huì)電化學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任、科睿唯安全球高被引學(xué)者、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)固態(tài)離子學(xué)分會(huì)理事和副秘書(shū)長(zhǎng)。團(tuán)隊(duì)主要研究方向?yàn)槟茉措娀瘜W(xué)與納米材料的交叉研究。在高比能鋰離子電池、鋰硫（硒）電池、固態(tài)電池、鈉離子電池等電池技術(shù)及其關(guān)鍵材料方面取得一些研究成果，致力于推動(dòng)基礎(chǔ)研究成果的實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出的高性能硅基負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。在國(guó)際知名期刊上發(fā)表SCI論文380余篇，他人引用超過(guò)51000次，h指數(shù)為116，連續(xù)9年被科睿唯安評(píng)選為全球“高被引科學(xué)家”，出版電池方面英文專著1部。獲外國(guó)發(fā)明專利授權(quán)11項(xiàng)，中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)116項(xiàng)，成果轉(zhuǎn)化多項(xiàng)。主持承擔(dān)科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目課題、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專題項(xiàng)目、北京市、工信部和企業(yè)的橫向項(xiàng)目。曾榮獲中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)、國(guó)際電化學(xué)委員會(huì)ISE Tajima獎(jiǎng)、國(guó)際能量存儲(chǔ)與創(chuàng)新聯(lián)盟青年成就獎(jiǎng)、國(guó)際電化學(xué)能源科學(xué)院IAOEES卓越研究獎(jiǎng)、美國(guó)麻省理工學(xué)院《Technology Review》“全球杰出青年創(chuàng)新家TR35” 等學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)。

團(tuán)隊(duì)近期部分成果簡(jiǎn)介

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的時(shí)代背景下迫切需要發(fā)展高效電能存儲(chǔ)技術(shù)，鋰離子電池作為先進(jìn)的電化學(xué)能源儲(chǔ)存器件之一，在便攜式電子設(shè)備及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中高鎳正極材料由于具有高容量和低成本的特點(diǎn)，是非常有前景的高比能鋰離子電池正極材料之一。然而高鎳正極材料嚴(yán)重的界面副反應(yīng)與充放電過(guò)程的體積形變導(dǎo)致容量衰減快、安全性差與機(jī)械失效等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。本期島津XPS 用戶成果分享主要介紹化學(xué)所郭玉國(guó)研究團(tuán)隊(duì)近期在高鎳三元正極材料領(lǐng)域研究的一些進(jìn)展及XPS測(cè)試技術(shù)在其中的應(yīng)用。

單晶高鎳正極材料的合成新方法

促使二次球形顆粒的納米晶粒長(zhǎng)大成微米級(jí)單晶顆粒，不僅能夠降低材料比表面積、減少界面副反應(yīng)提高安全性，而且還能消除多晶二次球顆粒晶間裂縫問(wèn)題，使高鎳正極材料的安全性得到提高。使得近年來(lái)單晶高鎳正極材料研究成為熱點(diǎn)。雖然高鎳正極材料單晶化帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)，但是合成電化學(xué)性能優(yōu)異的大尺寸單晶高鎳正極材料非常具有挑戰(zhàn)性。本研究通過(guò)晶格匹配性篩選出促使晶粒生長(zhǎng)的燒結(jié)助劑，從而合成了1-12 μm范圍內(nèi)粒徑可控的單晶高鎳正極材料，粒徑的可控制備為實(shí)現(xiàn)高壓實(shí)密度極片創(chuàng)造了條件，突破了目前商業(yè)高鎳正極壓實(shí)密度3.4 g cm-3的極限達(dá)到3.9 g cm-3。實(shí)現(xiàn)了高鎳三元正極材料高的體積能量密度與高的質(zhì)量能量密度，材料體積能量密度達(dá)到3000 Wh L-1, 組裝的軟包電池體積能量密度高達(dá)730 Wh L-1，質(zhì)量能量密度303 Wh kg-1。該材料有望替代鈷酸鋰正極材料，從而減少3C領(lǐng)域?qū)︹挼囊蕾?，為緩?/span>鈷資源危機(jī)提供了一種新思路[1]。此外，該工作煅燒助劑的篩選與晶粒生長(zhǎng)機(jī)制的研究為其他儲(chǔ)能電極材料的合成提供了有益參考[2]。在該工作中研究團(tuán)隊(duì)利用XPS研究了單晶高鎳正極材料電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中CEI的演化過(guò)程，表明單晶顆粒由于較小的比表面積與煅燒助劑的表面富集抑制了電池循環(huán)過(guò)程中的副反應(yīng)發(fā)生（圖2），提高了高鎳正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖2. XPS測(cè)試分析電池循環(huán)中單晶高鎳正極材料表面CEI的組成演化。

參考文獻(xiàn)：

1. Ji-Lei Shi, Hang Sheng, Xin-Hai Meng, Xu-Dong Zhang, Dan Lei, Xiaorui Sun, Hongyi Pan, Junyang Wang, Xiqian Yu*, Chunsheng Wang*, Yangxing Li*, Yu-Guo Guo*, Natl. Sci. Rev. 2023, 10, nwac226.

2. 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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