XPS助您玩转锂电行业— XPS+RAMAN联合分析锂电池导电剂

2018年11月16日 公司新闻 243 views

摘  要:通过ESCALAB Xi

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仪器对鳞片石墨以及水热法制备还原氧化石墨烯进行分析,探索不同改性工艺获得的石墨烯的结构与组成信息;再结合拉曼测试获得的缺陷信息,从而实现对合成石墨烯的质量进行预测评定。文中通过对两种测试结果分析,很好的验证了不同工艺所得石墨烯质量的好坏,表明XPS+RAMAN联用的全新解决方案,可为进一步提升石墨烯性能研究以及推动石墨烯应用于锂离子电池导电剂领域提供依据和指导。

关键词: ESCALAB Xi

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  石墨烯 改性 组成

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前言

石墨烯作为一种新型的纳米碳质材料,因其“至柔至薄至密”和超高的电子电导率的特点,非常适合作为导电剂材料,随着人们对其研究的进一步深入,有望在锂电池导电剂方向最先得到产业化的应用。但是,在实际应用过程中,石墨烯导电剂存在片层团聚、较难分散等问题;为改善此问题,需要对石墨烯进行氧化还原处理,在此过程中改性后石墨烯的质量如何分析评判,成为了一个难点。针对这一难题,本文提出了XPS+RAMAN技术相结合的全新解决方案来解决这一问题,通过XPS测试获得样品结构、组成信息和拉曼测试获得样品缺陷信息,结合这两种分析手段来完成对石墨烯质量预测评定。

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样品测试要求及制备

该批次共有3个粉末样品,分别为改性前的鳞片石墨(样品1)以及不同生产工艺获得的水热法制备还原氧化石墨烯(样品2和样品3),需要通过XPS了解不同改性工艺得到的样品表面组分变化行为,从而对石墨烯质量进行分析评定。

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测试仪器和测试方法

选择ESCALAB Xi

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光电子能谱仪进行测试,仪器外观见图2。为消除样品荷电效应开启标准模式的中和枪。测试时使用单色化X射线源,500微米束斑。

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XPS测试结果分析

4.1 1#鳞片石墨样品表面元素含量分析

对样品代表性点进行数据采集,如图3所示,发现样品表面C、O元素的原子百分含量分别为99%和0.89%,其中C元素主要是以sp

2

杂化碳的化学态形式存在,而O元素主要以可能的C-O、C=O的化学态形式存在。

4.2 2#样品表面元素含量分析

对样品代表性点进行数据采集,并将2#的谱图与1#样品C的谱图进行对比,如图4所示,发现样品表面除了C元素以外还含有一定量的O元素,以及微量的S、Fe、Si、Cl元素(主要来源于还原、氧化过程中的试剂和反应釜)。其中C、O元素的原子百分含量分别为98.34%和1.42%,由此可以看出该工艺制得的还原氧化石墨烯还原程度很高,且C元素化学态与原始鳞片石墨C元素的化学态基本一致。

4.3 3#样品表面元素含量分析

对样品代表性点进行数据采集,并将3#的谱图与1#样品C的谱图进行对比,如图5所示,发现样品表面除了C元素以外还含有一定量的O元素,以及微量的Fe、Cl元素(主要来源于还原、氧化过程中的试剂和反应釜)。其中C、O元素的原子百分含量分别为98.45%和0.81%,由此可以看出该工艺制得的3#样品还原氧化石墨烯还原程度也很高,且C元素化学态与原始鳞片石墨C元素的化学态基本一致。

4.4样品的XPS数据对比分析

对样品代表性点进行数据分析,1#、2#、3#样品中C、O含量如表1所示

由上表两生产石墨烯样品与1#鳞片石墨烯样品C、O含量比较,可看出该生产工艺获得的还原氧化石墨烯的还原程度极高。如果通过O元素相对含量来判断石墨烯质量,可看到3#样品氧含量更低,还原程度相对2#样品更高,表明3#样品石墨烯质量更好,还原程度更高。

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拉曼测试结果分析

为研究石墨烯的缺陷程度利用拉曼进行检测分析,如图6所示。

在拉曼研究晶体缺陷程度时,通常会将谱图中D峰强度与G峰强度做比,即I

G

/I

D

,比值越大,表示晶体缺陷越小。由两样品的测试谱图可看到,2#样品I

G

/I

D

值小于3#样品,即2#样品的缺陷程度高于3#。检测两样品的电导率,发现3#样品实际电导率(73000 S/m)明显高于2#样品(42000 S/m)。通过两样品的缺陷程度及电导率,进一步验证了3#样品石墨烯质量更好。

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结论

本文通过XPS对鳞片石墨以及水热法制备还原氧化石墨烯进行分析,得到不同改性工艺获得的石墨烯的结构与组成信息,再结合拉曼测试获得的样品的缺陷信息,两种分析方法的结合很好的验证了不同工艺所得石墨烯质量的好坏,解决了石墨烯的质量判定这一难题。表明XPS+RAMAN的全新解决方案,可为进一步提升石墨烯性能研究以及推动石墨烯应用于锂离子电池行业提供依据和指导,助力锂电池行业的发展。

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