XPS应用介绍 | 在电池中的应用

锂离子电池（LIB）作为一种重要的储能技术，已经普遍应用于便携式电子设备、电动汽车和电网储能等领域。然而，锂离子电池技术方面仍然存在诸多挑战，特别是现有的锂离子电池电极材料在恶劣条件（如高低温环境）下不良的快充特性和安全隐患严重阻碍了其在电动汽车领域中的进一步发展。值得注意的是，如果从LIB的外部或内部加热或冷却来改变工作温度，不仅会增加系统的复杂性，还会降低能源效率和能量/功率密度。因此，研发一种适用于变温的新型负极材料以及深入理解其在充放电过程中的电化学变化是当前研究的重点。

X射线光电子能谱仪（XPS）作为表面分析领域重要的大型科学仪器，可以提供高表面灵敏（<10 nm）和高空间分辨(<10 um)的元素组分和化学态解析能力，还可以对膜层结构提供深度分析。因此XPS已经普遍用于锂电池的研究中，例如锂电池的负极材料、正极材料、隔膜和电解质界面等。

实例一

通过固态反应法合成了一种镍铌氧化物（Ni2Nb34O87）电极，并研究了其在不同温度下（−10、25和60 ℃）的锂离子存储性能。 

Ni2Nb34O87的晶体结构

为探究样品在充放电过程中发生的化学反应，在本项工作中利用XPS分析技术获取样品中Nb元素的化学状态。XPS结果表明原始样品的Nb为Nb5+；在0.8 V放电锂化过程中，部分Nb5+被还原为Nb4+和Nb3+；然而，在3.0 V充电去锂化过程中，Nb元素全部被氧化为Nb5+。研究结果证明了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+可以发生可逆的氧化还原反应，该电极有着良好的循环稳定性。

相关研究成果发表在《Advance Energy Materials》期刊。[1]

Ni2Nb34O87在（I）原始、（II）0.8 V放电

和（III）3.0 V充电状态下Nb 3d的XPS图谱。

实例二 

通过静电纺丝及分步煅烧法合成部分还原的TiNb24O62（PR-TNO）纤维，利用XPS进一步揭示PR-TNO的工作机理。

TNO和PR-TNO的制备过程。

首先，XPS结果证实了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+的高度可逆氧化还原反应。此外，PR-TNO中部分还原的Ti3+和Nb4+增强了电子导电性。因此在−20℃下，锂离子电池达到了较大的可逆容量。相关研究成果发表在《Advanced Science》期刊。[2]

 PR-TNO在（I）原始、（II）0.8 V放电和（III）3.0 V充电状态下Nb 3d的XPS图谱。

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参考文献：

[1] https://doi.org/10.1002/aenm.202102550

[2] https://doi.org/10.1002/advs.202105119