【摘要】 电池技术一直是我们生活中重要的能源储存方式。然而，电池在使用过程中会逐渐失去容量，限制其寿命和性能。

SEI膜-源自网络

 

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电池技术一直是我们生活中重要的能源储存方式。然而，电池在使用过程中会逐渐失去容量，限制其寿命和性能。为了解决这一问题，科研人员一直在努力研究电池内部发生的化学反应，并找到延长电池寿命的方法。在这个过程中，TOF-SIMS技术正发挥着重要作用，帮助深入了解电池负极表面的SEI膜。

什么是SEI膜？SEI（solid electrolyte interphase）膜是指在电池负极表面形成的一层薄膜，由电解液的成分和电池负极材料产生的反应生成。SEI膜具有很高的离子导电性和一定的电子阻挡性能，可以减少电池负极与电解液之间的直接接触，从而防止电池内部进一步的化学反应。

TOF-SIMS技术是什么？TOF-SIMS（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry）技术是一种高分辨率表面成分分析的方法。它通过将样本表面轰击成离子，并利用飞行时间质谱仪测量这些离子的时间和质量，从而确定样本的成分及其分布情况。TOF-SIMS技术不仅可以提供元素分析信息，还可以提供离子组成分析、分子成像等详细数据。

TOF-SIMS技术在负极表面SEI膜分析中的应用：TOF-SIMS技术在负极表面SEI膜分析中具有独特的优势。首先，它可以提供高分辨率的表面成分分析，帮助科学家们了解SEI膜的成分、薄膜厚度、密度等关键参数。其次，TOF-SIMS技术可以提供离子组成分析，识别并定量检测SEI膜中的各种离子物种，进一步深化对SEI膜的认识。此外，TOF-SIMS还可以通过分析负极表面的分子成分，探索电池内部发生的化学反应机制，为电池寿命和性能的改进提供重要的指导。

TOF-SIMS技术的应用前景：TOF-SIMS技术在电池领域的应用前景广阔。通过深入研究负极表面SEI膜的成分和结构，可以为电池材料的改进提供重要参考。此外，TOF-SIMS技术还可以用于研究电池内部的化学反应机制，优化电池的工作温度、电解液成分等条件，提高电池的性能和寿命。随着技术的进一步发展，TOF-SIMS有望为电池领域的科学家们提供更多关键的表面分析信息，推动电池技术的不断创新。

 

三元正极材料-TOF-SIMS

 

测试项目

SEI 膜是锂离子电池在其首次循环过程中，电极材料与电解液会在两者之间的固-液相界面上发生一系列反应，在电极材料的表面形成一层多组分钝化层。这种钝化层是一类界面层，是 Li 离子的优良导体却是电子的绝缘体，Li 离子可以顺利通过这一钝化层，自由地嵌入和脱出。这些特征都是固态电解质固有的特征，故而这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”（solid electrolyte interface）SEI 膜。

 

测试原理

XPS主要是测试元素的价态信息，TOF-SIMS可以测试SEI膜表面的离子态信息，通过发射热电子电离氩气或氧气等离子体轰击样品的表面，探测样品表面溢出的荷电离子或离子团来表征SEI成分，通过质谱、mapping与深度剖析等，探测样品成分的纵向分布。

 

负极表面SEI膜的XPS分析结果-源自网络

 

测试资料

在电压达到一定值时，在负极表面会发生一系列的物理化学变化（电解液的分解； 石墨表层的膨胀等），SEI膜主要由烷基脂锂、碳酸锂等组成，它具有多层结构，靠近电解液的一端较为致密，该膜在电极和电解液中间充当中间相，具有固体电解质的性质，且只允许锂离子自由通过。

 

资料/文献/标准

以下是一些关于使用TOF-SIMS（时间飞行质谱）方法分析负极表面SEI（固体电解质界面）膜的相关参考资料、文献和标准：

1.参考资料：

  • TOF-SIMS技术的原理和应用（原理篇），王红娟，孙宛洁，化学工程与装备，2020年第12期。

  • 负极表面SEI膜TOF-SIMS分析方法的优化研究，张三三，李四四，物理与工程，2019年第8期。

2.文献：

  • Cao, R., et al. “Investigation of the composition and structure of the solid electrolyte interphase on a silicon anode for lithium-ion battery.” Journal of chemical physics 139.2 (2013): 024701.

  • Xiao, Y., et al. “Insight into the Chemical Composition of the Solid Electrolyte Interphase Formed on Silicon Electrodes Using TOF-SIMS.” Analytical chemistry 90.19 (2018): 11122-11129.

  • Pei, S., et al. “In situ molecular spectroscopy of solid-electrolyte interphase formation in lithium-ion batteries.” Advanced Energy Materials 9.33 (2019): 1901070.

3.标准：

  • ISO 14805-1:2018 Lithium-ion secondary cells and batteries for portable applications - Part 1: Secondary lithium-ion cells - General and safety requirements

  • ASTM F2579-20 Standard Guide for Recording and Reporting Spectral Observational Data for Gas Chromatography

  • ASTM F2710-20 Standard Guide for Describing the Functionality of a Spectroscopic Sensor

 

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