XPS應用介紹 | 在電池中的應用

鋰離子電池（LIB）作為一種重要的儲能技術，已經普遍應用于便攜式電子設備、電動汽車和電網儲能等領域。然而，鋰離子電池技術方面仍然存在諸多挑戰，特別是現有的鋰離子電池電極材料在惡劣條件（如高低溫環境）下不良的快充特性和安全隱患嚴重阻礙了其在電動汽車領域中的進一步發展。值得注意的是，如果從LIB的外部或內部加熱或冷卻來改變工作溫度，不僅會增加系統的復雜性，還會降低能源效率和能量/功率密度。因此，研發一種適用于變溫的新型負極材料以及深入理解其在充放電過程中的電化學變化是當前研究的重點。

X射線光電子能譜儀（XPS）作為表面分析領域重要的大型科學儀器，可以提供高表面靈敏（<10 nm）和高空間分辨(<10 um)的元素組分和化學態解析能力，還可以對膜層結構提供深度分析。因此XPS已經普遍用于鋰電池的研究中，例如鋰電池的負極材料、正極材料、隔膜和電解質界面等。

實例一

通過固態反應法合成了一種鎳鈮氧化物（Ni2Nb34O87）電極，并研究了其在不同溫度下（?10、25和60 ℃）的鋰離子存儲性能。 

Ni2Nb34O87的晶體結構

為探究樣品在充放電過程中發生的化學反應，在本項工作中利用XPS分析技術獲取樣品中Nb元素的化學狀態。XPS結果表明原始樣品的Nb為Nb5+；在0.8 V放電鋰化過程中，部分Nb5+被還原為Nb4+和Nb3+；然而，在3.0 V充電去鋰化過程中，Nb元素全部被氧化為Nb5+。研究結果證明了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+可以發生可逆的氧化還原反應，該電極有著良好的循環穩定性。

相關研究成果發表在《Advance Energy Materials》期刊。[1]

Ni2Nb34O87在（I）原始、（II）0.8 V放電

和（III）3.0 V充電狀態下Nb 3d的XPS圖譜。

實例二 

通過靜電紡絲及分步煅燒法合成部分還原的TiNb24O62（PR-TNO）纖維，利用XPS進一步揭示PR-TNO的工作機理。

TNO和PR-TNO的制備過程。

首先，XPS結果證實了Nb4+/Nb5+和Nb3+/Nb4+的高度可逆氧化還原反應。此外，PR-TNO中部分還原的Ti3+和Nb4+增強了電子導電性。因此在?20℃下，鋰離子電池達到了較大的可逆容量。相關研究成果發表在《Advanced Science》期刊。[2]

 PR-TNO在（I）原始、（II）0.8 V放電和（III）3.0 V充電狀態下Nb 3d的XPS圖譜。

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參考文獻：

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

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