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儀器簡介

化學(xué)所郭玉國研究員團(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)的界面問題，揭示電化學(xué)反應(yīng)過程中界面膜的形成過程，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)簡介

郭玉國研究員，2007年起任中科院化學(xué)所研究員，課題組長，現(xiàn)任中國科學(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、中國硅酸鹽學(xué)會(huì)固態(tài)離子學(xué)分會(huì)理事和副秘書長。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。在國際知名期刊上發(fā)表SCI論文380余篇，他人引用超過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。獲外國發(fā)明專利授權(quán)11項(xiàng)，中國發(fā)明專利授權(quán)116項(xiàng)，成果轉(zhuǎn)化多項(xiàng)。主持承擔(dān)科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中國科學(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。曾榮獲中國青年科技獎(jiǎng)、中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)、國際電化學(xué)委員會(huì)ISE Tajima獎(jiǎng)、國際能量存儲(chǔ)與創(chuàng)新聯(lián)盟青年成就獎(jiǎng)、國際電化學(xué)能源科學(xué)院IAOEES卓越研究獎(jiǎng)、美國麻省理工學(xué)院《Technology Review》“全球杰出青年創(chuàng)新家TR35” 等學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)。

研究團(tuán)隊(duì)網(wǎng)站：http://mnn.iccas.ac.cn/guoyuguo/

團(tuán)隊(duì)近期部分成果簡介

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測試技術(shù)在其中的應(yīng)用。

l                      高鎳正極材料的界面改性

空氣穩(wěn)定性差與表面殘堿問題限制了高鎳正極材料的應(yīng)用，傳統(tǒng)改善方法是采用水洗、液相包覆等方法降低表面殘堿，提高界面穩(wěn)定性。雖然上述界面改性方法有效，但是液相包覆工藝流程長、復(fù)雜。高鎳正極材料需要在干燥環(huán)境中使用，表明其空氣穩(wěn)定性差的主要原因是與空氣中的水反應(yīng)，對(duì)空氣中二氧化碳是相對(duì)穩(wěn)定，基于此研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地通過控制O2與CO2混合氣的比例與材料燒結(jié)溫度，在高鎳正極表面原位構(gòu)筑致密無定形Li2CO3納米包覆層，該包覆層有效阻擋高鎳正極與空氣中的H2O接觸，提高了高鎳正極材料空氣穩(wěn)定性。將處理前后正極材料暴露空氣存儲(chǔ)，使用XPS測試結(jié)合氬離子刻蝕對(duì)樣品表面殘堿成分進(jìn)行檢測。從不同刻蝕深度的XPS譜圖和組分定量分析中可以發(fā)現(xiàn)（圖2），未改性高鎳正極材料會(huì)隨著暴露時(shí)間的增加殘留鋰的總量不斷增加，殘堿主要為LiOH。改性后樣品表面殘堿增加非常緩慢，殘堿組成主要為Li2CO3。結(jié)果驗(yàn)證了高鎳正極表面包覆適量的無定形致密碳酸鋰有助于空氣穩(wěn)定性的提升。

圖2.暴露空氣存儲(chǔ)后高鎳正極材料（Ni90）的C 1s、O 1s和Ni 2p不同深度XPS圖譜。

進(jìn)一步團(tuán)隊(duì)利用搭建的XPS結(jié)合TOF-SIMS研究發(fā)現(xiàn)電化學(xué)循環(huán)過程中Li2CO3可以轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的富氟正極/電解質(zhì)界面相，提高材料循環(huán)穩(wěn)定性?；谠摲椒ㄅ恐苽?/span>的高鎳正極材料LiNi0.9Co0.06Mn0.04O2比容量高達(dá)232 mAh/g，該工作為高比能電極材料提供了一種易于產(chǎn)業(yè)化的界面改性方法，同時(shí)帶來高鎳三元正極表面鋰殘留問題的新認(rèn)識(shí)[1]。

參考文獻(xiàn)：

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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