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島津XPS 用戶成果分享—中科院化學(xué)所郭玉國研究員團(tuán)隊（一）
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儀器簡介
化學(xué)所郭玉國研究員團(tuán)隊與島津合作設(shè)計并搭建了適用于原位電化學(xué)的X-射線光電子能譜儀（圖1）。儀器致力服務(wù)于能源存儲器件界面研究。為理解儲能器件相關(guān)的界面問題，揭示電化學(xué)反應(yīng)過程中界面膜的形成過程，闡明電池體系中界面特性與離子輸運(yùn)關(guān)系及離子在界面上的傳輸特性提供支撐；從而推動高比能新型化學(xué)電源與關(guān)鍵新材料體系的發(fā)展。
圖1：中國科學(xué)院化學(xué)研究所原位電化學(xué)X射線光電子能譜儀
團(tuán)隊簡介
郭玉國研究員，2007年起任中科院化學(xué)所研究員，課題組長，現(xiàn)任中國科學(xué)院大學(xué)崗位教授，博士生導(dǎo)師，中科院分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室副主任，中國化學(xué)會電化學(xué)專業(yè)委員會副主任、科睿唯安全球高被引學(xué)者、中國硅酸鹽學(xué)會固態(tài)離子學(xué)分會理事和副秘書長。團(tuán)隊主要研究方向為能源電化學(xué)與納米材料的交叉研究。在高比能鋰離子電池、鋰硫（硒）電池、固態(tài)電池、鈉離子電池等電池技術(shù)及其關(guān)鍵材料方面取得一些研究成果，致力于推動基礎(chǔ)研究成果的實(shí)際應(yīng)用，開發(fā)出的高性能硅基負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。在國際知名期刊上發(fā)表SCI論文380余篇，他人引用超過51000次，h指數(shù)為116，連續(xù)9年被科睿唯安評選為全球“高被引科學(xué)家”，出版電池方面英文專著1部。獲外國發(fā)明專利授權(quán)11項，中國發(fā)明專利授權(quán)116項，成果轉(zhuǎn)化多項。主持承擔(dān)科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項目課題、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專題項目、北京市、工信部和企業(yè)的橫向項目。曾榮獲中國青年科技獎、中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎、國際電化學(xué)委員會ISE Tajima獎、國際能量存儲與創(chuàng)新聯(lián)盟青年成就獎、國際電化學(xué)能源科學(xué)院IAOEES卓越研究獎、美國麻省理工學(xué)院《Technology Review》“全球杰出青年創(chuàng)新家TR35” 等學(xué)術(shù)獎項。
團(tuán)隊近期部分成果簡介
實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的時代背景下迫切需要發(fā)展高效電能存儲技術(shù)，鋰離子電池作為先進(jìn)的電化學(xué)能源儲存器件之一，在便攜式電子設(shè)備及電動汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中高鎳正極材料由于具有高容量和低成本的特點(diǎn)，是非常有前景的高比能鋰離子電池正極材料之一。然而高鎳正極材料嚴(yán)重的界面副反應(yīng)與充放電過程的體積形變導(dǎo)致容量衰減快、安全性差與機(jī)械失效等問題，嚴(yán)重限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。本期島津XPS 用戶成果分享主要介紹化學(xué)所郭玉國研究團(tuán)隊近期在高鎳三元正極材料領(lǐng)域研究的一些進(jìn)展及XPS測試技術(shù)在其中的應(yīng)用。
單晶高鎳正極材料的合成新方法
促使二次球形顆粒的納米晶粒長大成微米級單晶顆粒，不僅能夠降低材料比表面積、減少界面副反應(yīng)提高安全性，而且還能消除多晶二次球顆粒晶間裂縫問題，使高鎳正極材料的安全性得到提高。使得近年來單晶高鎳正極材料研究成為熱點(diǎn)。雖然高鎳正極材料單晶化帶來諸多優(yōu)勢，但是合成電化學(xué)性能優(yōu)異的大尺寸單晶高鎳正極材料非常具有挑戰(zhàn)性。本研究通過晶格匹配性篩選出促使晶粒生長的燒結(jié)助劑，從而合成了1-12 μm范圍內(nèi)粒徑可控的單晶高鎳正極材料，粒徑的可控制備為實(shí)現(xiàn)高壓實(shí)密度極片創(chuàng)造了條件，突破了目前商業(yè)高鎳正極壓實(shí)密度3.4 g cm-3的極限達(dá)到3.9 g cm-3。實(shí)現(xiàn)了高鎳三元正極材料高的體積能量密度與高的質(zhì)量能量密度，材料體積能量密度達(dá)到3000 Wh L-1, 組裝的軟包電池體積能量密度高達(dá)730 Wh L-1，質(zhì)量能量密度303 Wh kg-1。該材料有望替代鈷酸鋰正極材料，從而減少3C領(lǐng)域?qū)︹挼囊蕾?，為緩?/span>鈷資源危機(jī)提供了一種新思路[1]。此外，該工作煅燒助劑的篩選與晶粒生長機(jī)制的研究為其他儲能電極材料的合成提供了有益參考[2]。在該工作中研究團(tuán)隊利用XPS研究了單晶高鎳正極材料電化學(xué)循環(huán)過程中CEI的演化過程，表明單晶顆粒由于較小的比表面積與煅燒助劑的表面富集抑制了電池循環(huán)過程中的副反應(yīng)發(fā)生（圖2），提高了高鎳正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖2. XPS測試分析電池循環(huán)中單晶高鎳正極材料表面CEI的組成演化。
參考文獻(xiàn)：
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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