低温X射线光电子能谱技术揭示锂电池原始界面化学特性

《Nature》：Cryogenic X-ray photoelectron spectroscopy for battery interfaces

本研究针对室温与超高真空条件下X射线光电子能谱（XPS）分析易导致锂金属电池固体电解质界面（SEI）发生反应和挥发等演变的问题，开发了结合快速 plunge freezing 的低温（cryo）-XPS技术，成功实现了对原始SEI的稳定保存。研究发现cryo-XPS能呈现更厚的原始SEI及显著不同的化学形态，避免了LiF和Li2O等重要物种的改变，为准确关联不同电解质化学与电池性能提供了新途径，凸显了低温条件研究敏感界面的必要性。

　　

理解原始界面的化学环境是电化学、材料科学和表面科学领域长期追求的目标。对于锂金属负极中的固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI）的认识，很大程度上源于X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）技术。然而，室温（Room Temperature, RT）与超高真空（Ultrahigh Vacuum, UHV）的结合，会在XPS分析过程中诱发SEI因反应和挥发而发生显著演变。因此，需要一种能够稳定SEI的技术。本研究开发了结合即时 plunge freezing 的低温（cryogenic, cryo）-XPS方法，并证明了其对SEI的保护作用。我们发现，利用cryo-XPS可以观察到截然不同的SEI化学形态以及更厚的原始SEI，其避免了室温相关的厚度减少以及UHV中对LiF和Li₂O等重要物种的改变。这种对原始SEI组成的新认识，使得能够跨越不同电解质化学体系进行性能关联。最重要的是，我们强调了在低温条件下研究敏感界面的必要性。