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岛津XPS用户成果分享—中科院化学所郭玉国研究员团队（一）

2023.8.31

仪器简介

化学所郭玉国研究员团队与岛津合作设计并搭建了适用于原位电化学的X-射线光电子能谱仪（图1）。仪器致力服务于能源存储器件界面研究。为理解储能器件相关的界面问题，揭示电化学反应过程中界面膜的形成过程，阐明电池体系中界面特性与离子输运关系及离子在界面上的传输特性提供支撑；从而推动高比能新型化学电源与关键新材料体系的发展。

图1：中国科学院化学研究所原位电化学X射线光电子能谱仪

团队简介

郭玉国研究员，2007年起任中科院化学所研究员，课题组长，现任中国科学院大学岗位教授，博士生导师，中科院分子纳米结构与纳米技术重点实验室副主任，中国化学会电化学专业委员会副主任、科睿唯安全球高被引学者、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事和副秘书长。团队主要研究方向为能源电化学与纳米材料的交叉研究。在高比能锂离子电池、锂硫（硒）电池、固态电池、钠离子电池等电池技术及其关键材料方面取得一些研究成果，致力于推动基础研究成果的实际应用，开发出的高性能硅基负极材料实现了成果转化。在国际知名期刊上发表SCI论文380余篇，他人引用超过51000次，h指数为116，连续9年被科睿唯安评选为全球“高被引科学家”，出版电池方面英文专著1部。获外国发明专利授权11项，中国发明专利授权116项，成果转化多项。主持承担科技部国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国科学院重点部署项目、中国科学院战略先导项目课题、北京市自然科学基金重点研究专题项目、北京市、工信部和企业的横向项目。曾荣获中国青年科技奖、中国科学院青年科学家奖、国际电化学委员会ISE Tajima奖、国际能量存储与创新联盟青年成就奖、国际电化学能源科学院IAOEES卓越研究奖、美国麻省理工学院《Technology Review》“全球杰出青年创新家TR35” 等学术奖项。

研究团队网站：http://mnn.iccas.ac.cn/guoyuguo/

团队近期部分成果简介

实现“双碳”目标的时代背景下迫切需要发展高效电能存储技术，锂离子电池作为先进的电化学能源储存器件之一，在便携式电子设备及电动汽车等领域得到广泛应用。其中高镍正极材料由于具有高容量和低成本的特点，是非常有前景的高比能锂离子电池正极材料之一。然而高镍正极材料严重的界面副反应与充放电过程的体积形变导致容量衰减快、安全性差与机械失效等问题，严重限制了其大规模商业应用。本期岛津XPS 用户成果分享主要介绍化学所郭玉国研究团队近期在高镍三元正极材料领域研究的一些进展及XPS测试技术在其中的应用。

单晶高镍正极材料的合成新方法

促使二次球形颗粒的纳米晶粒长大成微米级单晶颗粒，不仅能够降低材料比表面积、减少界面副反应提高安全性，而且还能消除多晶二次球颗粒晶间裂缝问题，使高镍正极材料的安全性得到提高。使得近年来单晶高镍正极材料研究成为热点。虽然高镍正极材料单晶化带来诸多优势，但是合成电化学性能优异的大尺寸单晶高镍正极材料非常具有挑战性。本研究通过晶格匹配性筛选出促使晶粒生长的烧结助剂，从而合成了1-12 μm范围内粒径可控的单晶高镍正极材料，粒径的可控制备为实现高压实密度极片创造了条件，突破了目前商业高镍正极压实密度3.4 g cm^-3的极限达到3.9 g cm^-3。实现了高镍三元正极材料高的体积能量密度与高的质量能量密度，材料体积能量密度达到3000 Wh L^-1, 组装的软包电池体积能量密度高达730 Wh L^-1，质量能量密度303 Wh kg^-1。该材料有望替代钴酸锂正极材料，从而减少3C领域对钴的依赖，为缓解钴资源危机提供了一种新思路[1]。此外，该工作煅烧助剂的筛选与晶粒生长机制的研究为其他储能电极材料的合成提供了有益参考[2]。在该工作中研究团队利用XPS研究了单晶高镍正极材料电化学循环过程中CEI的演化过程，表明单晶颗粒由于较小的比表面积与煅烧助剂的表面富集抑制了电池循环过程中的副反应发生（图2），提高了高镍正极材料的循环稳定性。

图2. XPS测试分析电池循环中单晶高镍正极材料表面CEI的组成演化。

参考文献：

1. Ji-Lei Shi, Hang Sheng, Xin-Hai Meng, Xu-Dong Zhang, Dan Lei, Xiaorui Sun, Hongyi Pan, Junyang Wang, Xiqian Yu*, Chunsheng Wang*, Yangxing Li*, Yu-Guo Guo*, Natl. Sci. Rev. 2023, 10, nwac226.

2. Hang Sheng, Xin-Hai Meng, Dong-Dong Xiao, Min Fan, Wan-Ping Chen, Jing Wan, Jilin Tang, Yu-Gang Zou, Fuyi Wang, Rui Wen, Ji-Lei Shi*, Yu-Guo Guo*, Adv. Mater. 2022, 34, 2108947.

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