岛津XPS 技术表征锂电池负极集流体

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SSL-CA14-858Excellence in Science Excellence in ScienceXPS-003 广州领拓仪器科技有限公司 电话：400-8084-333网址： http：//www.l-victor. com XPS 技术表征锂电池负极集流体 XPS-003 摘要：电极集流体是电极的重要组成部分，对电极起到支撑作用和电流分布作用，对集流体进行表面涂层改性后可以提高其抗腐蚀性能。本文采用XPS 技术对改性后的集流体进行结构表征，并检测到元素价态、各元素相对含量等相关信息，并进一步对比高温处理过程对材料表面结构带来的变化。 关键词：锂电池负极集流体X射线光电子能谱(XPS) 面处理设备中使其表面形成一种性能优良的保护层，以达到在一定温度下的抗氧化能力，延长其保存时长，同时使用时更易于电气元件的焊接。 本文采用的样品为一定温度处理前后的改性铜箔材电池负极集流体，旨在研究改性前后材料表面性质的变化以及高温过程引入后的影响(如铜箔氧化程度等)。常规 XPS技术用于材料表面10 nm以内的相关元素测定，该负极集流体表面改性层厚度约1nm，且涉及非金属元素的化学态分析，因此 XPS 技术较为适合该材料表面的元素化学态及半定量分析。 1.2分析条件 激发源：单色AI靶(AlKa， 1486.6 eV) X射线高压： 15kV 发射电流：全谱10mA，元素精细谱15mA 停留时间 (Dwell time) ：：200 ms 1.3样品性状及处理 样品性状：铜箔。如下图1。 直接将样品用铜片压于样品台上即可。 通能：全全160eV，精细谱40eV 分析区域： slot模式(700*300 um) 扫描苗度：全谱1eV， 窄谱0.1 eV 图1样品状态图，左侧为高温处理前样品，右侧为处理后样品 结果与讨论 2.1处理前样品： 对材料表面利用 XPS 进行定性分析，先通过全谱扫描得到表面元素种类，再对所含的各个元素进行精细谱扫描，最后进行定量计算。图2右是负极集流体的全谱扫描结果，可以看出材料表面主要含有含元素(C1s)、氧元素(O1s)、铜元素(Cu2p)、铬元素(Cr2p)、氯元素(Cl2p)以及少量的硫元素(S2p)。 图2全谱扫描结果 进一步对全谱中的元素进行精细谱扫描分析，如C1s， Cu2p， Cr2p， 0 1s 和 Cl2p等 图3精细谱扫描结果 (见图3)，证明了表面三氧化二铬钝化层的存在。C元素主要以 C-C (C1)、C-O(C2)和C=0 (C3) 的化学态形式存在，其结合能分别是284.8 eV、286.3eV和288.4 eV。0元素主要以金属氧化物(氧化铜、氧化铬，01)、C-O(02)和C=O(03)的化学态形式存在，其结合能分别是530.0 eV、531.2 eV 和 532.8 eV。结合材料结构可知， Cu 元素主要以金属态 (Cu 1) 及 CuO (金属表面存在的氧化层， Cu2)的化学态存在，其中金属态与氧化态的铜物种摩尔比为~4：5；Cr元素主要以三氧化二铬的化学态存在，Cl元素主要以可能的金属氯化物的化学态形式存在，S元素主要以可能的硫酸盐形式存在。 进一步对表面不同元素进行定量分析，随意选取了两个位置进行测试分析，分别计算得到的表面元素定量结果见下表。 位置1 表1元素定量结果位置2 Atomic conc. [%] Mass conc.[%] Atomic conc.[%] Mass conc. [% Cu 2p 15.21 35.59 Cu 2p 15.92 36.79 C1 2p 0.52 0.68 C12p 0.46 0.59 S 2p 1.93 2.28 S 2p 1.81 2.11 O 1s 55.60 32.76 O 1s 55.54 32.31 Cr 2p 11.44 21.91 Cr2p 11.51 21.76 C 1s 15.29 6.76 C 1s 14.76 6.45 2.2高温处理后样品： 对处理后样品进行 XPS全谱分析，结果见下图4，通过定性分析可知处理后样品表面所含元素与处理前一致。进一步对各元素精细谱进行分析，见下图5，对比处理前后元素化学态的变化，由精细谱结果分析可知，表面各元素的化学态类型并未发生显著变化，其中金属态与氧化态铜物种的比值变为~2：5，是由于高温处理过程中部分金属态的铜物种被氧化所致。该部分金属态铜物种的存在，足以说明该铜箔表层钝化处理技术是符合生产要求的。 图4全谱扫描结果 图5精细谱扫描结果 进一步对处理后样品表面不同元素进行定量分析，随意选取了两个位置进行测试分析，分别计算得到的表面元素定量结果见下表2。与处理前定量结果相比，表面 Cu元素相对含量增大； Cr元素及S元素相对含量均减小，推测前者是由于高温处理过程中发生了一定的物种团聚，因此呈现出来的有效表面减小，而S元素的变化则可能是由于高温过程中发生挥发损失导致。 表2 元素定量结果 Atomic conc. [%] Mass conc. [%] Atomic conc.[%] Mass conc. [%] Cu 2p 23.51 49.87 Cu 2p 20.91 46.01 C1 2p 0.51 0.61 C1 2p 0.48 0.59 S 2p 1.29 1.38 S 2p 1.38 1.53 O 1s 51.89 27.71 O 1s 52.68 29.18 Cr 2p 8.45 14.67 Cr 2p 9.01 16.21 C 1s 14.36 5.76 C 1s 15.54 6.46 结论 本文采用采用 XPS 技术对防腐涂层结构进行表征，分给给出了表面各元素的化学态及相对含量等信息，可以看出主要采用的为氧化铬类物质钝化工艺。进一步对高温处理前后的集流体样品进行分析，可知处理前后主要元素化学态变化主要为：铜物种有部分氧化且相对含量有所增大，Cr 元素及S元素相对含量略有降低，而处理后金属态铜物种的存在，证明该钝化技术可以用于生产。XPS 技术作为一种表面分析手段，在表面薄层分析中具备独特的优势。 电极集流体是电极的重要组成部分，对电极起到支撑作用和电流分布作用，对集流体进行表面涂层改性后可以提高其抗腐蚀性能。本文采用XPS 技术对改性后的集流体进行结构表征，并检测到元素价态、各元素相对含量等相关信息，井进一步对比高温处理过程对材料表面结构带来的变化。