2020年CAIA獎二等獎獲獎項目成果簡介：表界面分析方法在電池機理研究中的應用
完成單位：中山大學測試中心、暨南大學理工學院物理學系
完成人：謝方艷，孟輝，陳建，劉彭義，龔力，張浩
成果簡介：
以表界面分析方法（X射線光電子能譜、紫外光電子能譜、準原位X射線光電子能譜、XPS氬離子刻蝕聯合技術等）為主要研究手段，對電池器件（燃料電池、鋰離子/鋰氧電池、鈣鈦礦太陽能電池等）性能提高的機理進行研究。首先利用光電子能譜確定氧還原反應非貴金屬催化劑的活性位點，明確燃料電池、鋰離子/鋰氧電池的電極材料成分與性能之間的關系；其次通過準原位X射線光電子能譜、紫外光電子能譜、XPS氬離子刻蝕聯合技術研究鈣鈦礦薄膜的具體成分、電子結構及其演變過程，有效地將材料的組成、電子結構、穩定性和光電性能等緊密聯系起來，深入研究鈣鈦礦太陽能電池性能提高的內在機理；同時利用X射線光電子能譜與紫外光電子能譜技術厘清了硅基/氧化物異質結界面的氧化還原的機制、明確聚合物太陽能電池陰極界面層提高器件性能的內在機理；最后對表面分析技術進行方法探討，研究光電子能譜儀自帶光源對鈣鈦礦薄膜表面性質的影響、對不同方法測量材料功函數的結果進行分析比較。
利用表界面分析方法在電池機理研究中的具體應用取得了系列原創成果：發表于Advanced Materials、ACS Energy Letter 等期刊論文共40篇；出版譯著《表面分析技術》；獲授權發明專利3項；制定國家標準1項。以上研究成果可應用于燃料電池、鋰離子/鋰氧電池、太陽能電池等內在機制的探索。
創新點及科學價值：
1.使用X射線光電子能譜與紫外光電子能譜聯合技術確定電池關鍵材料的化學成分、電子結構及其演變過程，揭示電池電極材料的組成、電子結構對電池性能的影響機理。
2.通過準原位X射線光電子能譜表征技術、XPS氬離子刻蝕聯合技術深入研究提高鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率與改善器件穩定性的內在機理，為材料的制備選擇合適的方法及對器件結構進行優化設計具有指導意義。
社會經濟效益：
1.從構效關系出發，明確了影響電池性能的關鍵因素，為高效、穩定的電池關鍵材料設計與開發提供了新的途徑。
2.利用表界面分析方法深入研究燃料電池、鋰離子/鋰氧電池、太陽能電池性能提高的機理，促進了這些新型電池的商業化進程。
應用前景：
1.發展的表界面分析方法可應用于不同類型電池的內在機制研究，為高性能電池的研制提供理論指導。
2.有助于從事電池研究、表界面科學的研究工作者了解表界面分析方法及應用實例，指導相關研究人員根據實際科研需求選擇合適的表界面分析方法。
