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一个锂离子电池。图片来源:Janaka Dharmasena/Shutterstock.com
锂电池在现代便携式电子产品中扮演着重要角色，为电动汽车、笔记本电脑和移动电话提供了可靠的电源。
研究人员目前正致力于大规模开发锂技术，作为一种电力存储选择，以支持国家电网在高峰需求。然而，能量密度仍然是锂电池的一个主要问题，并提出了一个问题，即如何将更多的能量装入更轻、更小的空间?
在寻找一种改进的锂离子电池的过程中，研究表明，由“富锂”阴极组成的电池比传统锂电池的能量密度高出约50%。
基于红外光谱和拉曼光谱的技术在分析锂电池的化学过程，特别是氧在阴极氧化反应中所起的作用方面非常有用。
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改进锂离子电池被视为实现电动汽车技术大规模普及的一大挑战。图片来源:Matej Kastelic/Shutterstock.com
理解电化学过程
了解电化学循环的内部过程对于制造真正高效和安全的锂电池至关重要。电极/电解质界面尤其重要，因为它能够控制电池的动力学和稳定性，影响功率、安全性和循环稳定性。
由于缺乏对锂离子电池界面反应的充分了解，像红外光谱这样的表面表征技术很有价值。
原位红外光谱可用于分析电池运行过程中的电极/电解质界面。这被认为是一种强大的方法，因为它能够在电化学循环期间连续提供数据。这种能力消除了由于松弛和污染而产生的错误数据。
使用衰减的全反射(ATR)附件具有反应池，如Specac的金门™，允许在实验室进行原位FT-IR。振动光谱(拉曼和红外)是对锂离子电池中发生的表面过程进行原位分析的可靠分析工具。
使用红外光谱和拉曼光谱作为补充方法，可以使用红外光谱研究有机电解质和锂之间的界面，并使用拉曼光谱研究电极材料中的结构变化。
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一个使用原位FTIR电极分析的例子。在这个实验中，我们分析了一个使用铂电极和石墨烯电极的电化学电池。图片来源:别亚青/自然通讯
观察树枝晶形成和电极降解
当锂电池经历多次充放电循环时，特别是快速充放电时，锂电极表面会退化。这种降解会导致被称为树突的小锂纤维的形成，这会降低电池的容量。
在电池的使用寿命中，树枝状晶会继续形成，锂纤维从锂电极表面生长，并穿过电解液，直到它们与另一个电极接触。这种情况会导致电池短路，从而导致过热，甚至可能引发火灾。
根据正在进行的研究，树突的形成是由于存在于电解质中的种子晶体污染物，这为发展导致树突的电极亚表面结构提供了一个重点。如果能够解决枝晶，就可以生产出更轻、能量密度更高的锂电池，并能够使用锂阳极。
固体-电解质界面以及在不断循环和改造后发生的退化是导致电池性能恶化的其他问题。
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Specac的金门™反应池配件可进行现场电化学分析
用红外技术研究电极
利用表面敏感的FTIR光谱可以有效地分析锂和碳电极的表面特征。该技术的优势在于提供化学键和官能团的具体数据，这意味着它可以用于瞬态锂物种的测定。
此外，这种非破坏性技术也可用于原位当一个广泛的普通锂物种的红外光谱库可用时，进行电极分析。最近的一项研究利用FTIR分析了枝晶形成的过程，并提出了解决枝晶形成和电解质不稳定问题的解决方案。
本研究使用一种离子液体，n -丙基- n -甲基吡咯烷酰二(氟磺酰)亚胺，由一种特殊的锂盐混合物组成，在充电和循环之前对电极进行处理。该工艺提供了一种耐用的、锂离子渗透的固电解质界面相(SEI)，持续循环超过1000次，库仑效率超过99.5%。
使用红外光谱对该方法进行研究，结果表明，在实验过程中，树枝晶的形成和电解质的变化率都很低。红外光谱是分析锂电池原位SEI层形成和后续演化的理想工具。然而，由于红外和拉曼技术是基于反射率测量的，所以在测试电池中首选抛光电极表面。
稳定的无污染环境和恒定的温度对电化学电池中的红外光谱至关重要，可以使用专门设计的ATR电池进行电化学实验。
电化学分析用红外附件
Specac提供了一个高性能的单反射单片金刚石平台，称为金门™ATR附件，它被视为应用于光谱电化学实验的金标准，因为可提供多种材料分析的采样选项。有了这个特性，分析可以在反应池的不同温度下进行。
金门™ATR需要最少的样品准备。该附件适用于电解质液体，固体和凝胶的高通量定性和定量研究的透射光谱。
Specac还提供了一种反应池变体，用于在高达3000 psi的压力下以及高达200°C的温度下进行原位电极IR测量。
了解更多关于金门原位反应细胞的信息
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金门™ 来自Specac
Specac提供另一个ATR配件，探索™ 用于在扩展波长上进行更常规的高通量分析。该ATR附件配备Synopti焦阵列技术、全反射镀金光学元件和四个可互换的水晶圆盘，非常适合中红外和远红外范围内的样品分析。
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来自Specac的Quest™
这些信息已经从Specac提供的材料中获得、审查和改编。亚博网站下载
有关此来源的更多信息，请访问Specac。