鋰離子電池具有自放電小、開路電壓高,、能量密度大,、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，自問世以來就備受關注,。但是,，鋰離子電池采用含有機溶劑的液體電解質，存在不容忽視的安全隱患,。 對此,，全固態(tài)電池（ABBS）應運而生，因其電解質在內的所有組件都是固態(tài)的,，在安全性和熱穩(wěn)定性上有著明顯優(yōu)勢,，已然成為新能源、儲能技術,、材料科學等領域的研究熱點,。然而,，電極與固體電解質之間的界面存在著來源尚不明確的電阻,，成為影響 ABBS 實際應用的較大障礙之一。因此,，利用有效的表面分析技術研究 SE/陰極界面的相互作用,，對提高全固態(tài)電池的性能至關必要。
飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS）是電池材料界面表征有效的方法之一,，不只能夠以較高靈敏度檢測所有組分（包括元素和分子結構）,，還能憑借高空間分辨進行微區(qū)成像，直觀地展示不同組分在表/界面的分布情況,。這為揭示造成全固態(tài)電池低離子電導率的原因,，以及解決電解質制造、固-固界面優(yōu)化這兩個重要問題具有重要的指導作用,。
應用案例
PHI nanoTOF 有的 Bi 離子源不只擔當著初級脈沖離子源的角色,，還具備聚焦離子束（FIB）功能。當液態(tài)金屬離子設備開啟 FIB 模式時,，他可以直接對固體樣品進行切割加工,。對于多層結構的全固態(tài)電池樣品,，傳統(tǒng)的逐層深度剖析方法會遇到耗時過長的挑戰(zhàn)。這是因為當分析深度達到微米級別時,，逐層剝離進行深度分析,，每一層都需要單獨的剝離和測量， 這極大增加了整個分析過程的時間,。然而,，PHI nanoTOF 的 Bi-FIB 功能可以直接對固體樣品進行切割加工，極大縮短了樣品制備的時間,，在電池材料表界面分析中展現(xiàn)了明顯的效率和便捷性,。
以圖 1 所示的多層結構全固態(tài)電池樣品為例，PHI nanoTOF 的 Bi-FIB 功能只用~8.3 min 就可以完成橫截面的精細加工,。更重要的是,，這種高效的樣品制備過程與隨后的 TOF-SIMS 表征無縫銜接，TOF-SIMS 對截面的分析過程只用時~4.3 min（30 frames）,。從樣品界面制備到表征整個流程,，都是在 TOF-SIMS 設備內完成，而且全程總耗時只~13 分鐘,，這是傳統(tǒng)方法無法比較的速度,。這一高效且便捷的流程使得研究人員能夠快速的揭示電池樣品“由表及里"的微觀特征。
圖 1. ASSB 結構（左）以及 FIB-TOF 工作（右）的示意圖
FIB-TOF 揭示了全固態(tài)電池埋層界面的化學物種,。結果表明,，在固體電解質/陰極的 FIB橫截面處 Li3O+的存在（見圖 2），這可能是由于在 LiPON 的沉積過程中誘導 LiCoO2 的分解,，導致 Li3O+的產生以及 Co 的還原,。為進一步驗證這一結果，對該電池截面做了詳盡的線性分析,，再次證實了 Li3O+的存在,，且 Li3O+的濃度在深度方向存在明顯差異。
圖 2. 固態(tài)電解質/陰極 FIB 橫截面的 TOF-SIMS 表征
PHI nanoTOF 通過 FIB-TOF 實現(xiàn)了對全固態(tài)電池表/界面的快速表征,，這不只揭示了固- 固界面微觀變化的根本機制,，還為降低界面電阻的策略提供了重要的指導。此外,，該技術對 表/界面微觀過程的全方面表征將有助于擴大全固態(tài)電池的應用潛力,，并為完善高性能全固態(tài)電池的制造工藝、降低成本,、批量化生產等提供獨到的見解,。展望未來，PHI nanoTOF 將與廣大的科研學者攜手并進，共同推動新能源產業(yè)的大力發(fā)展,。
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