应用领域:电池/锂电池,失效分析,功能材料,电池/锂电池,失效分析,功能材料
检测样品:锂离子电池
检测项目:ToF-SIMS, XPS, EDX
电池中锂被钝化层覆盖,此钝化层可能会影响电池性能以及电化学特性的重现性。Svenja-K. Otto等人利用XPS、ToFSIMS、EDX等分析手段对各种锂电池样品的钝化层进行研究,并得出表面钝化层的三维化学成像。
这里将ToFSIMS部分的结果提取出来与大家分享学习。
分析样品
样品1:Lithium foil 1 (>99.8 wt %, Albemarle Germany GmbH, formerRockwood Lithium GmbH)
样品2:lithium foil 2 (>99.9 wt % Li, HonjoMetal)
样品3:slices cut from a lithium rod (99.8%, abcr GmbH)
ToFSIMS分析条件
・深度分析:
溅射源:GCS,10 keV,10 nA,300 × 300μm2
分析源:Bi+,1.2 pA,100 × 100μm2,128 ×128 pixels
・极表面深度分析:
溅射源:GCS,5 keV,0.5 nA,300 × 300μm2
分析源:Bi+,1.2 pA,100 × 100μm2,128 ×128 pixels
・成像模式下的深度分析:
溅射源:GCS,10 keV,10 nA,500 × 500μm2
分析源:Bi+ ,0.2 pA, 200 × 200μm2,1024 × 1024 pixels
实验结果和总结
一、深度分析结果
图为样品1在ToFSIMS负谱模式下的深度分布
该结果表明通过氧化物(典型SIs:O−,LiO−;Li如无进一步说明则是7Li)形成的钝化,比通过碳酸盐(典型SI:CO3−)或氢氧化物形成(典型SIs:OH−, LiO2H−)的钝化程度更深。这一结论也支持了双层钝化结构。
另外,根据0.50 nm/s的溅射速率计算钝化层的厚度,上层碳酸盐/氢氧化物钝化膜厚度约为2 nm。算上富氧区,完全钝化层的厚度加起来约为3nm。
二、成像结果
图为样品1表面和溅射后的多成分叠加图
图为样品1的三维分析图
图像显示,锂表面的大部分区域均匀地被钝化层覆盖,在一些区域检测到额外的污染,污染物呈斑点或线条状富集。
三、对比不同样品的深度分析
图为不同样品的深度分析结果
图中以O−、LiO2H−和CO3−随着深度发生的信号变化,对氧化物、氢氧化物和碳酸盐钝化层的厚度进行了对比。(用O−、LiO2H−和CO3−分别指代氧化物、氢氧化物和碳酸盐钝化层)。结果显示,样品2的钝化层是最厚的。
综上所述,通过ToFSIMS可以分析钝化层的主要成分及其深度分布、估测钝化层的厚度、观察钝化层的横向分布并判断是否受到污染。