pA-AES全固态电池材料的锂化学状态图

PHICHINA

2022/07/08 14:28

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概述

锂离子电池 (LIB)具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应等优点，被广泛用于智能手机等便携电子设备，同时大容量锂离子电池已经成为电动汽车的主要动力电源。但是，现有的锂电池存在一些安全隐患。近日国家应急管理部公布的新能源汽车火灾数据显示，在2022年的第一季度，电动车发生自燃的事故有640起，平均每日有7例事故。这是因为在传统的锂离子电池中使用的是有机液态电解质，这些有机物分解电压较低、易燃易爆，即使是轻微的损坏也可能导致爆炸或引起火灾。

图1. 电动汽车着火安全问题

全固态电池（ASSBs）是一种使用固体电极和固体电解质的电池，由于采用了固态电解质替代传统的有机液态电解质，有望从根本上解决电池的安全性问题，还能进一步提升锂电池的能量密度和循环寿命，符合未来高安全性高能量密度锂电池发展的方向。然而，固体电解质（SE）和电极界面处的内阻是固态电池实际应用的最大障碍之一，因为该界面处的内阻限制了锂离子在充电/放电循环期间的传输效率。

扫描俄歇电子能谱

扫描俄歇电子能谱（AES）是研究固体电解质材料和界面的显微结构和组分的重要方法，但是AES仪器的入射电子束照射容易引起样品损伤。例如LiPON电解质在电子束的照射下，易产生还原现象。使用AES设备的低电流模式可以减少对样品的损伤，同时性能优异的能量分析器可以提供重要组分Li的化学态信息。

图2. PHI VersaProbe系列XPS设备的扫描俄歇电子能谱配件

应用

本案例样品采用多层结构，如图3样品截面的俄歇电子能谱SEM所示，多层结构分别为LiPON电解质，LiCoO2正极，Pt/Ti集流体和玻璃基底。为准确获取固态电池的化学性质及组成，采用AES低电流模式进行检测。图4结果表明，俄歇谱图中32 eV和40 eV处的信号分别对应LiPON和LiCoO2中的不同Li化学状态。此外，LiPON和LiCoO2的Li化学态分布图与SEM影像一一对应（见图3）。Li KVV俄歇谱证明了使用低电流AES检测，可以避免LiPON电解质的还原，从而得到Li准确化学态的分析结果。