ToFSIMS的应用实例：锂离子电池中钝化层的表征

电池中锂被钝化层覆盖，此钝化层可能会影响电池性能以及电化学特性的重现性。Svenja-K. Otto等人利用XPS、ToFSIMS、EDX等分析手段对各种锂电池样品的钝化层进行研究，并得出表面钝化层的三维化学成像。

这里将ToFSIMS部分的结果提取出来与大家分享学习。

分析样品

样品1：Lithium foil 1 (>99.8 wt %, Albemarle Germany GmbH, formerRockwood Lithium GmbH)

样品2：lithium foil 2 (>99.9 wt % Li, HonjoMetal)

样品3：slices cut from a lithium rod (99.8%, abcr GmbH)

ToFSIMS分析条件

・深度分析：

溅射源：GCS，10 keV，10 nA，300 × 300μm²

分析源：Bi+，1.2 pA，100 × 100μm²，128 ×128 pixels

・极表面深度分析：

溅射源：GCS，5 keV，0.5 nA，300 × 300μm²

分析源：Bi+，1.2 pA，100 × 100μm²，128 ×128 pixels

・成像模式下的深度分析：

溅射源：GCS，10 keV，10 nA，500 × 500μm²

分析源：Bi+ ，0.2 pA, 200 × 200μm²，1024 × 1024 pixels

实验结果和总结

一、深度分析结果

图为样品1在ToFSIMS负谱模式下的深度分布

该结果表明通过氧化物（典型SIs：O⁻，LiO⁻；Li如无进一步说明则是⁷Li）形成的钝化，比通过碳酸盐（典型SI：CO₃⁻）或氢氧化物形成（典型SIs：OH⁻， LiO₂H⁻）的钝化程度更深。这一结论也支持了双层钝化结构。

另外，根据0.50 nm/s的溅射速率计算钝化层的厚度，上层碳酸盐/氢氧化物钝化膜厚度约为2 nm。算上富氧区，完全钝化层的厚度加起来约为3nm。

二、成像结果

图为样品1表面和溅射后的多成分叠加图

图为样品1的三维分析图

图像显示，锂表面的大部分区域均匀地被钝化层覆盖，在一些区域检测到额外的污染，污染物呈斑点或线条状富集。

三、对比不同样品的深度分析

图为不同样品的深度分析结果

图中以O⁻、LiO₂H⁻和CO₃⁻随着深度发生的信号变化，对氧化物、氢氧化物和碳酸盐钝化层的厚度进行了对比。（用O⁻、LiO₂H⁻和CO₃⁻分别指代氧化物、氢氧化物和碳酸盐钝化层）。结果显示，样品2的钝化层是最厚的。

综上所述，通过ToFSIMS可以分析钝化层的主要成分及其深度分布、估测钝化层的厚度、观察钝化层的横向分布并判断是否受到污染。