光电子能谱分析揭示固态电池如何退化
固态电池有几个优点：它们可以储存更多能量，而且比使用液体电解质的电池更安全。然而，它们的使用寿命较短，而且容量会随着每次充电而减少。但情况并非总是如此。研究人员已经开始追查原因。在《ACS Energy Letters》杂志上，来自 HZB 和吉森 Justus-Liebig 大学的团队介绍了一种新方法，使用 BESSY II 的光电子能谱精确监测固态电池运行过程中的电化学反应。研究结果有助于改进电池材料和设计。
固态电池在电池电极之间使用固体离子导体代替液体电解质，这样可以在充电和放电过程中传输锂。这样做的好处包括提高操作安全性，并且通常具有更高的容量。
然而，固态电池的寿命仍然非常有限。这是因为在电解质和电极之间的界面处会形成分解产物和界面相，从而阻碍锂离子的传输并导致活性锂的消耗，因此电池的容量会随着每次充电循环而下降。
现在，由 HZB 研究人员 Elmar Kataev 博士和 Marcus Bär 教授领导的团队开发了一种新方法，可以高时间分辨率分析固体电解质和电极界面处的电化学反应。Kataev 解释了研究问题：“在什么条件和电压下会发生此类反应，以及这些中间相的化学成分在电池运行过程中如何演变？”
原位 HAXPES 实验前（左）和实验后（右）的 LPSCl 颗粒 SEM 图像。来源：10.1021/acsenergylett.4c01072
在这项研究中，他们分析了固体电解质Li 6 PS 5 Cl 的样品，这种材料被认为是固态电池的最佳候选材料，因为它具有高离子电导率。他们与吉森尤斯图斯·李比希大学 (JLU Giessen) 的电池专家 Jürgen Janek 教授团队密切合作。一层极薄的镍层（30 个原子层或 6 纳米）用作工作电极。将一层锂膜压在 Li 6 PS 5 Cl 颗粒的另一侧，作为对电极。
为了实时分析界面反应和中间层 (SEI) 的形成以及与施加电压的关系，Kataev 采用了硬 X 射线光电子能谱 (HAXPES) 方法，充分利用了 BESSY II 的柏林能源材料原位实验室 (EMIL) 的分析能力：X 射线撞击样品，激发那里的原子，然后可以根据发射的光电子识别反应产物，该光电子是施加的电池电压和时间的函数。结果表明，分解反应仅部分可逆。
Kataev 表示：“我们证明了使用超薄集电器通过表面表征方法研究埋藏界面的电化学反应是可能的。”HZB 团队已经收到来自德国和国外研究小组的询问，他们也对这种表征方法感兴趣。
下一步，HZB 团队希望扩展这种方法，并研究具有复合聚合物电解质和各种阳极和阴极材料的电池。
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