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當前位置:首頁技術(shù)文章【合作成果 】XPS應用:鋰金屬兼容的鑭系金屬鹵化物基(LaCl3)超離子導體

【合作成果 】XPS應用:鋰金屬兼容的鑭系金屬鹵化物基(LaCl3)超離子導體

更新時間:2023-07-27點擊次數(shù):1454

固態(tài)鋰金屬電池(ASSLMBs)在解決傳統(tǒng)鋰離子電池的安全性和能量密度問題發(fā)揮著重要的作用。作為ASSLMBs重要組成部分,固態(tài)電解質(zhì)(SEs)直接影響著電池性能。金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)(LixMCl6, M為金屬元素)因其寬電化學窗口、良好的室溫電導率和不錯的可變形性,展現(xiàn)出比氧化物/硫化物固態(tài)電解質(zhì)更好的高電壓氧化物正極適配性。2018年以來,基于Li3YCl6、Li3InCl6Li3ScCl6等金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池實現(xiàn)了搭載鈷酸鋰、鎳鈷錳等4 V級正極的長循環(huán),引起了普遍關(guān)注。然而,目前報道的大多數(shù)LixMCl6金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)采用易被還原的金屬元素構(gòu)建傳導框架,導致對鋰金屬不穩(wěn)定,只能采用高電位的鋰銦合金,限制了高能量密度全固態(tài)鋰金屬電池的開發(fā)。同時,傳統(tǒng)的LixMCl6晶格中氯離子是六方或立方緊密堆積,其空間體積較小,對鋰離子的傳導有一定限制,使其電導率大多在1 mS/cm。因此,開發(fā)對鋰金屬負極穩(wěn)定的新型快離子導體框架結(jié)構(gòu)是發(fā)展高比能全固態(tài)鋰金屬電池面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
對此,中國科學技術(shù)大學姚宏斌課題組、李震宇課題組與浙江工業(yè)大學陶新永課題組合作,設計開發(fā)出鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族LixMyLnzCl3(Ln為鑭系金屬元素,M為非鑭系金屬元素)。得益于鑭系金屬元素的低電負性,以及金屬氯化物良好的耐氧化性和可變形性,鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)可直接與鋰金屬負極和三元正極匹配,實現(xiàn)無任何電極修飾且室溫可運行的全固態(tài)鋰金屬電池。相關(guān)研究成果以《A LaCl3-based lithium superionic conductor compatible with Li metal》為題,于45日發(fā)表在Nature雜志上。[1-2]

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針對以上問題,團隊成員發(fā)現(xiàn),以LaCl3為類型的鑭系金屬鹵化物LnCl3Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm等)晶格中氯離子呈非緊密堆積形式,天然存在豐富的一維大尺寸孔道,適合鋰離子的高速傳輸,并可通過鑭空位形成連續(xù)的三維傳導。鑭的低電負性和梯度界面層的形成賦予了LaCl3基電解質(zhì)對鋰金屬良好的穩(wěn)定性,組裝的鋰金屬對稱電池以0.2 mA cm-2的電流密度和1 mAh cm-2的面容量可穩(wěn)定循環(huán)5000小時以上(圖1a)。為研究Li/SE界面的穩(wěn)定性機制,該項工作利用XPS (PHI 5000 VersaProbe III) 進行了深入分析(見圖1c)。結(jié)果表明在SE的上表面,可以檢測到Ta5+(綠色標記)Ta0(橙色標記)兩種化學狀態(tài)。Ta的還原率只有13.4%,與In的高還原率(Li3InCl6超過60%)相比,Ta的還原率要低得多。此外,在排除蝕刻引起的Ta的部分還原后,界面處Ta的電化學還原在深度上呈梯度分布(電化學還原的Ta013.4%逐漸下降到2.2%)。這種界面上的梯度降低可歸因于形成了電絕緣的LiCl界面相作為鈍化層(見圖1d),與還原陽離子的理論研究一致,這種界面層還可以有效地緩解鋰沉積/剝離過程中的界面應變,并保護SE免受鋰金屬的影響。

圖1. LaCl3基固態(tài)電解質(zhì)的鋰金屬界面穩(wěn)定性

由于陽離子還原情況與界面穩(wěn)定性之間高度相關(guān),因此對界面處金屬陽離子進行了XPS深度分析。值得注意的是,刻蝕也會引起Ta的還原,為區(qū)分電化學還原Ta(1中橙色峰)和蝕刻引起的還原Ta(紫色峰),該項工作中對新鮮Li0.388Ta0.238La0.475Cl3樣品上的Ta進行了XPS深度分析,在0 nm、1 nm、2 nm3 nm深度分別采集了Ta 4f XPS譜(見圖2a)。結(jié)果表明,隨著深度從0 ~ 3 nm的增加,Ta0Li0.388Ta0.238La0.475Cl3上的比例逐漸降低。

圖2. Li/SE界面處Li0.388Ta0.238La0.475Cl3表面Ta的XPS深度分析

可靠的XPS表征---應用惰性氣氛轉(zhuǎn)移裝置Transfer Vessel

電池材料由于空氣敏感,容易與空氣中的水和氧氣等反應而質(zhì)變,這為準確表征電池材料表面的化學態(tài)信息帶來了挑戰(zhàn)。惰性氣氛轉(zhuǎn)移裝置(Transfer Vessel)通過橡膠密封圈將樣品密封在腔室內(nèi)(如圖3a所示),在將樣品由手套箱中轉(zhuǎn)移到XPS、TOF-SIMSAES儀器的過程中,可以確保樣品一直保持在真空或惰性氣氛條件下,從而保護大氣敏感樣品。

圖3. Transfer Vessel轉(zhuǎn)移管的氣密性證明

為驗證轉(zhuǎn)移管的密封能力,在樣品托上附加了一塊新鮮的金屬鈉片作為參考,隨樣品一起由手套箱轉(zhuǎn)移到XPS設備進行測試。圖3b3c所示為金屬鈉片在手套箱中和轉(zhuǎn)移到高真空度的XPS分析室中的外觀照片。與新鮮的金屬鈉片(3b)相比,轉(zhuǎn)移后的金屬鈉片(3c)仍能觀察到特征金屬光澤,說明金屬鈉片表面在轉(zhuǎn)移過程中沒有明顯的氧化。此外,從圖3d中的Na 1s XPS譜圖可以看出,金屬Na095.2%的比例為主,而氧化態(tài)Na1+4.8%(3e)。需要注意的是,金屬鈉比金屬鋰更為活躍,更容易被氧化,甚至可以在手套箱氣氛中被緩慢氧化。無論是具有金屬光澤的外觀,還是表面保持主導的金屬Na0,都能很好地證明樣品轉(zhuǎn)移管的密封能力,可以排除空氣的影響,從而確保了XPS結(jié)果的可靠性。

綜上,可靠的XPS表征能夠為鋰金屬負極界面的化學分析提供重要的依據(jù),有助于界面穩(wěn)定性的機理性研究。在此,PHI CHINA南京實驗室表示有幸為該項工作中的XPS表征提供重要的技術(shù)支持。

PHI作為全球技術(shù)的表面分析儀器廠商,一直致力于開發(fā)和制造XPS、AESTOF-SIMS、D-SIMS以及多種功能配件,期待與更多的用戶合作,共同推動表面分析技術(shù)的應用和發(fā)展。

參考文獻

[1] Yi-Chen Yin, Jing-Tian Yang, Jin-Da Luo, Gong-Xun Lu, Zhongyuan Huang, Jian-Ping Wang, Pai Li, Feng Li, Ye-Chao Wu, Te Tian, Yu-Feng Meng, Hong-Sheng Mo, Yong-Hui Song, Jun-Nan Yang, Li-Zhe Feng, Tao Ma, Wen Wen, Ke Gong, Lin-Jun Wang, Huan-Xin Ju, Yinguo Xiao, Zhenyu Li*, Xinyong Tao* & Hong-Bin Yao*. A LaCl3-based lithium superionic conductor compatible with lithium metal. Nature, 2023. 616, 77-83. Doi: 10.1038/s41586-023-05899-8.

[2]中國科大開發(fā)出鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族, https://news.ustc.edu.cn/info/1055/82356.htm.


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