锂电池中表面元素化学态及深度剖析检测方案(X光电子能谱)

SSL-CA20-320Excellence in Science Excellence in ScienceXPS-023 岛津企业管理(中国)有限公司-分析中心Shimadzu (China) Co.， LTD.-Analytical Applications CenterTel：86(21)34193996Email： sshzyan@shimadzu.com.cnhttp：//www.shimadzu.com.cn XPS 深度分析-LiPON 固态电解质 XPS-023 摘要：柔性全固态薄膜锂电池可以有效解决当前商用锂离子电池的安全性问题，并具有较长的使用寿命，在可穿戴、柔性显示等领域具有非常广阔的应用前景。景磷氮氧(LiPON)作为固态电解质，具有离子电导率高、热稳定性好和电化学窗口宽等优点，在全固态薄膜电池中有重要的应用价值。本文采用X射线光电子能谱技术(XPS) 对 LiPON 电解质进行深度分析，以研究不同氩离子刻蚀模式对锂离子定量的影响。 关键词： XPS氩团簇刻蚀 锂电池固态电解质 可以实现电极、SEI膜(固体电解质界面膜)等材料纵向分布的信息探测。 采用参考制备薄膜电池的方法，本实本将~50 nmLiPON沉积于Si基质(为了便于结果对比，此处将常规负负 Li替换为 Si)上，分别采用岛津 Axis Supra*仪器配备的Ⅵ型多模式离子枪的5 kV Ar 与 20 kV Ar 1000两种模式进行刻蚀深度剖析，通过 XPS则试得到的不同元素相对含量变化来说明不同氩离子模式刻蚀的效果。 结果与讨论 sv一一 图2分别采用5kV Ar 与 20 kVAr1000*刻蚀模式时的深度剖析结果 由图2结果可知，在两种对比刻蚀模式下，除了 Li 元素之外，其余元素相对含量变化趋势基本相同。当采用单氩 Ar*模式时，5-30nm 范围内，Li 元素相对占比基本维持在~25%，刻蚀至接近 Si 基质层时，Li 元素相对占比达到最大值~44%后迅速降低，说明 Si 基质表面存在Li 元素的堆积现象；而当采用团簇 20kV Ar1000*模式时，5-45 nm 范围内， Li 元素占比基本维持在~31%，高于单氩模式刻蚀结果，到达 Si 基质层后迅速降低，未发现 Li 元素的堆积现象。Li元素对比结果如下图3所示。 35 kVAr*(黑线)与 20 kVAr1000*(红线)刻蚀模式时 Li 元素含量结果对比 针对上述不同现象的原因，经过分析可知，单氩模式进行刻蚀时易在材料表面发生氩离子注入，导致样品表面正电荷累积，同电荷相斥会导致带正电荷的 Li*向体相迁移(如下图4)，但由于 Li*无法迁移进入Si 基质层，因此出现了 Li 元素相对含量在表层偏低，接近 Si 基质层时突然升高后又继续降低的假象，而采用团簇刻蚀模式便可以很好的避免此问题。 图4 单氩离子刻蚀导致锂离子迁移 结论 岛津 Axis Supra*具备全自动传样系统，样品预抽时便可进行目标测试位置选择与方法提交。可选配ⅥI型多模式离子枪，提交自动程序方法包便可实现不同模式下的深度剖析。低能团簇模式适用于常规有机物的刻蚀分析，20 kV 最大团簇能量可以保证无机材料的有效分析，可消除单氩刻蚀条件下“移动”的锂离子带给您的困扰。 岛津应用云 柔性全固态薄膜锂电池可以有效解决当前商用锂离子电池的安全性问题，并具有较长的使用寿命，在可穿戴、柔性显示等领域具有非常广阔的应用前景。锂磷氮氧（LiPON）作为固态电解质，具有离子电导率高、热稳定性好和电化学窗口宽等优点，在全固态薄膜电池中有重要的应用价值。本文采用X射线光电子能谱技术（XPS）对LiPON电解质进行深度分析，以研究不同氩离子刻蚀模式对锂离子定量的影响。