近日，中国科学院大连化学物理研究所能源催化转化全国重点实验室纳米与界面催化研究中心表面科学与界面催化研究组(521组)傅强研究员、张国辉副研究员等，发展了一种基于冷冻X射线光电子能谱(Cryo-XPS)耦合气体团簇离子束(GCIB)深度剖析的表界面分析新方法，揭示了锂金属电池中液-固界面处原生固体电解质中间相(SEI)的形成和动态演变机制。
以XPS为代表的表面分析技术依赖于超高真空(UHV)的分析环境，使得液体表面及液固界面的表征长期面临严峻挑战。傅强团队长期致力于将表界面分析技术应用于液-固功能界面的原位表征研究。前期，团队利用XPS等技术对离子液体-电极界面开展了原位/准原位表征，发现了电极结构中离子插层的表面效应和插层离子的弛豫效应(J. Am. Chem. Soc.，2021;Natl. Sci. Rev.，2021;J. Energy Chem.，2022;Nano Res.，2023)。然而，现有技术仍难以实现对水系或有机系电化学体系的电极表界面和电极-电解液界面进行精准表征。
在本工作中，团队基于“万物皆可冻”的思路，将工作状态下的液-固功能界面进行快速冷冻、低温转移、低温测量，利用真空表面分析技术对含水或有机液体的功能表界面进行动态表征和精准测量;进一步结合离子束刻蚀的深度剖析(Depth Profiling Analysis)，实现了对冷冻液层结构从表面到界面的逐层深度分析。基于此，团队提出了“冷冻表界层分析方法”(Cryogenic Surface & Interphase Analysis)，有望突破真空表面分析技术难以表征液相表界面的难题。
团队基于所发展的冷冻XPS耦合GCIB深度剖析的表征方法，实现了对锂金属电池(LMBs)中原生SEI的高保真、高灵敏表界面解析。团队通过低温快速冷冻处理，将液态电解质-SEI-电极界面从“液-固”状态转化为“固-固”状态，完整保留了SEI的原生化学状态和微观结构。GCIB深度剖析技术则在避免化学损伤的同时，实现了对SEI化学结构的精准解析。通过二者的协同联用，团队可完整重构原生SEI层的组分空间分布，为液固界面研究提供了一种兼具深度分辨与精准化学分析能力的表界面研究新方法。
相关研究成果以“Depth-Resolved Probing of Native Solid Electrolyte Interphase Formation and Dynamics in Li Metal Batteries by Cryogenic X-Ray Photoelectron Spectroscopy”为题，于近日发表在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上，并被选为前封面文章(Front Cover)。该工作的第一作者是521组群博士后王胜红。上述工作得到中国科学院B类先导专项“能源电催化的动态解析与智能设计”、国家自然科学基金、中国科学院大连化学物理研究所创新基金等项目的支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c09519
