【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所能源催化轉化全國重點實驗室納米與界面催化研究中心表面科學與界面催化研究組(521組)傅強研究員、張國輝副研究員等，發展了一種基于冷凍X射線光電子能譜(Cryo-XPS)耦合氣體團簇離子束(GCIB)深度剖析的表界面分析新方法，揭示了鋰金屬電池中液-固界面處原生固體電解質中間相(SEI)的形成和動態演變機制。
以XPS為代表的表面分析技術依賴于超高真空(UHV)的分析環境，使得液體表面及液固界面的表征長期面臨嚴峻挑戰。傅強團隊長期致力于將表界面分析技術應用于液-固功能界面的原位表征研究。前期，團隊利用XPS等技術對離子液體-電極界面開展了原位/準原位表征，發現了電極結構中離子插層的表面效應和插層離子的弛豫效應(J. Am. Chem. Soc.，2021；Natl. Sci. Rev.，2021；J. Energy Chem.，2022；Nano Res.，2023)。然而，現有技術仍難以實現對水系或有機系電化學體系的電極表界面和電極-電解液界面進行精準表征。
在本工作中，團隊基于“萬物皆可凍”的思路，將工作狀態下的液-固功能界面進行快速冷凍、低溫轉移、低溫測量，利用真空表面分析技術對含水或有機液體的功能表界面進行動態表征和精準測量；進一步結合離子束刻蝕的深度剖析(Depth Profiling Analysis)，實現了對冷凍液層結構從表面到界面的逐層深度分析。基于此，團隊提出了“冷凍表界層分析方法”(Cryogenic Surface & Interphase Analysis)，有望突破真空表面分析技術難以表征液相表界面的難題。
團隊基于所發展的冷凍XPS耦合GCIB深度剖析的表征方法，實現了對鋰金屬電池(LMBs)中原生SEI的高保真、高靈敏表界面解析。團隊通過低溫快速冷凍處理，將液態電解質-SEI-電極界面從“液-固”狀態轉化為“固-固”狀態，完整保留了SEI的原生化學狀態和微觀結構。GCIB深度剖析技術則在避免化學損傷的同時，實現了對SEI化學結構的精準解析。通過二者的協同聯用，團隊可完整重構原生SEI層的組分空間分布，為液固界面研究提供了一種兼具深度分辨與精準化學分析能力的表界面研究新方法。
相關研究成果以“Depth-Resolved Probing of Native Solid Electrolyte Interphase Formation and Dynamics in Li Metal Batteries by Cryogenic X-Ray Photoelectron Spectroscopy”為題，于近日發表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上，并被選為前封面文章(Front Cover)。該工作的第一作者是521組群博士后王勝紅。上述工作得到中國科學院B類先導專項“能源電催化的動態解析與智能設計”、國家自然科學基金、我所創新基金等項目的支持。
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