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研究背景

X射線光電子能譜(XPS)是電池研究中表征固體電解質界面(SEI)的最常用技術之一。然而，殘留的鹽或溶劑會產生光譜偽影，使實際SEI化學的評估變得復雜。

近日，斯坦福大學余維來博士、俞之奡博士、崔屹教授和鮑哲南教授等人介紹了三種不同鋰鹽的系統XPS研究，即雙（氟磺酰基）亞胺鋰（LiFSI）、雙（三氟甲磺酰基）亞胺鋰（LiTFSI）和六氟磷酸鋰（LiPF₆）。總體而言，這組基準研究不僅為峰值分配提供了有價值的參考，而且還強調了對照實驗的重要性，以避免在識別實際SEI組分時出現潛在的陷阱。

圖文解讀

在通過XPS真空去除大部分有機溶劑后，鋰鹽的表面膜直接由液體電解質制備。與直接測量鋰鹽固體粉末相比，該樣品制備方法具有三個顯著優勢：（1）在XPS 分析之前模擬了由于不完全洗滌而導致的殘留鹽的情況，（2）探測鋰鹽在液體電解質中的潛在形態行為, 以及 (3) 量化沉淀鹽膜的表面和本體區域的殘留有機溶劑。重要的是，作者發現這三種鋰鹽表現出不同的結合能（BEs）和光譜特征，反映了它們獨特的化學環境和物種形成行為。通過比較它們在 Ar⁺濺射前后的 XPS光譜，作者系統地發現了高能束誘導所有三種鋰鹽的人工LiF形成。

圖1. 從液體電解質中沉淀的原始鹽膜的高分辨率X射線光電子能譜

在Ar⁺濺射之前，首先通過XPS對三種鋰鹽的原始表面膜進行表征，以測定其組成元素的BE值（圖 1）。F 1s和N 1s光譜分別在688.0和399.9 eV的BE處顯示出不同的LiFSI峰，而其S 2p光譜在BE =170.3 eV處顯示出單個雙峰（圖1a-c）。在分配給LiF的F 1s光譜中也看到了BE = 684.8 eV的小峰。測得的所制備的LiFSI薄膜的N:S:F:O原子比與LiFSI = 1:2:2:4的元素化學計量非常匹配。同樣，分配給LiTFSI鹽的F、S和N原子的不同峰分別出現在BE = 688.5、169.2和399.7 eV（圖 1d-f）處。在F 1s光譜中再次看到了一個小的LiF肩峰（圖 1d）。此外S 2p和N 1s X射線光電子能譜分別在166.8 和 398.8 eV的較低BE處表現出額外的明顯峰。這些特征意味著 TFSI 陰離子分解為 C-SO_x和 N-SO_x物質。這些 -SO_x峰相對于LiTFSI峰的較低BE值可能與TFSI^–脫氟以產生LiF相關。此外，測得的所制備的LiTFSI薄膜的N:S:O原子比為1:2.5:6，而LiTFSI的N:S:O化學計量應為1:2:4。因此，相對于N原子的額外S和O原子對應于N-S鍵斷裂后LiTFSI表面上C-SO_x物質的富集（圖 1e）。

在Ar⁺濺射后，所有三種鋰鹽的F 1s X射線光電子光譜中LiF峰的強度均顯著增加（圖2）。對于LiFSI和LiTFSI，濺射后F的相對原子百分比也顯著增加，證實了表面LiF富集。對于這兩個樣品，LiF峰在濺射后變得更加突出，相對于分配給鹽的那些峰（圖 2a，b）。

圖2. Ar⁺濺射促進鹽降解形成LiF

三種鹽的去卷積C 1s X射線光電子光譜的比較如圖3所示。LiFSI薄膜在濺射之前僅顯示無定型碳（BE≈284 eV）（圖 3a）。在Ar⁺濺射之后，C 1s信號的消失表明在XPS真空下從LiFSI鹽中完全去除了DME溶劑。相比之下，濺射前LiTFSI 薄膜的C 1s XPS光譜在286和284 eV處分別表現出明顯的C-O和C-C/C-H鍵的峰（圖3b），這意味著 DME 溶劑的表面殘留物。Ar⁺濺射后，C 1s光譜僅顯示歸屬于LiTFSI的C-F鍵（BE≈293 eV）的峰，以及歸屬于C-S鍵的BE≈288 eV 的寬峰。由于在BE≈284 eV處不存在任何C-C/C-H鍵，因此排除了大部分 LiTFSI薄膜中DME的存在。在LiPF₆樣品的表面，C 1s光譜顯示歸屬于C-C、C-O 和C=O鍵的峰，共同歸屬于殘留的EC/DEC溶劑（圖3c）。與LiFSI和LiTFSI 樣品不同，即使在長時間的Ar⁺濺射之后，這些碳酸酯特征仍然存在并演變，這意味著在體相LiPF₆樣品中存在有機殘留物。與C=O或C-C/C-H鍵相比，C-O鍵的峰強度增加也表明在Ar⁺濺射下碳酸酯會分解。

圖3. 高分辨率C 1s X射線光電子能譜比較

這組基準測量為在未來電池研究中對SEI化學進行更穩健和謹慎的XPS分析提供了重要意義。

文獻鏈接

Weilai Yu,?Zhiao Yu,?Yi Cui,?and?Zhenan Bao* Degradation and Speciation of Li Salts during XPS Analysis for Battery Research. ACS Energy Lett. 2022, 7, XXX, 3270–3275, https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01587

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