原位低温X射线光电子能谱技术揭示了锂离子电池中固体电解质界面处的亚稳态成分

《Chem》：In situ cryogenic X-ray photoelectron spectroscopy unveils metastable components of the solid electrolyte interphase in Li-ion batteries

锂离子电池固体电解质界面（SEI）的亚稳态成分通过低温XPS结合残余气体分析捕获，揭示六氟磷酸锂（LiPF6）在非低温环境下分解为LiF和POF3的关键过程，提出避免实验误差的参数体系，为电催化、腐蚀等界面研究提供新方法。

　　

全貌

理解反应性界面是电化学中的一个核心挑战，因为决定性能的瞬态、亚稳态物种往往会被传统分析方法改变或破坏。需要超高真空的环境下的技术（如X射线光电子能谱（XPS））难以捕捉到这些短暂存在的成分。低温XPS是一种新兴技术，它通过保持界面的原始状态来克服这一问题，从而获得更准确的化学信息。

我们将这种方法应用于锂离子电池中的固体电解质界面（SEI），这是一个传统XPS分析因干扰因素而变得复杂的关键系统。我们证明了在分析过程中，像LiF这样的稳定物种主要是由亚稳态前体（如氟磷酸锂）分解形成的。通过捕捉这些前体，我们的研究更清晰地揭示了SEI的原始化学组成，并验证了一种减少分析干扰的方法。这种方法可以直接应用于其他复杂系统，如电催化、腐蚀和太阳能电池领域，从而更准确地理解控制设备性能的界面现象。

亮点

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将低温X射线光电子能谱（XPS）与残余气体分析相结合

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在低温状态下捕捉固体电解质界面的亚稳态成分

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固体电解质界面在超高真空和X射线照射下会发生分解

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针对XPS有效研究SEI的全面建议

总结

长期以来，确定锂离子电池中固体电解质界面（SEI）的固有化学组成一直是一项具有挑战性的任务。在这里，我们开发了一种先进的低温X射线光电子能谱（XPS）系统，并结合了残余气体分析技术，以捕捉SEI中的亚稳态成分。这种先进的配置能够即时冻结循环后的石墨电极，随后监测电极从低温状态恢复到室温过程中的表面变化和气体释放情况。我们的研究发现，氟磷酸锂是六氟磷酸锂的主要分解产物，它在脱离低温状态后迅速分解为LiF和POF₃。利用这一实验装置，我们识别出可能导致测量误差的关键实验参数，包括长时间暴露在超高真空条件下、中和剂控制不当以及样品干燥协议不完善等问题。仔细管理这些因素将确保对电池相关材料进行可靠且可重复的XPS测量，我们的研究结果为这类分析提供了最佳实践建议。

图形摘要