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顯微拉曼光譜儀助力鋰離子電池的研究

時間：2022-01-18 18:13:22 點擊次數(shù)：

顯微拉曼光譜儀助力鋰離子電池的研究

鋰離子電池是一種高性能、輕便且可重復(fù)充電的電池技術(shù)，因其高能量密度而備受青睞，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和電動汽車等移動能源領(lǐng)域。隨著對能源存儲需求的不斷增加，鋰離子電池的性能優(yōu)化和安全性成為研究的熱點。在鋰離子電池研究中，顯微拉曼光譜儀已經(jīng)成為一種強大的工具，它可以提供關(guān)于電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和動力學(xué)過程的詳細(xì)信息。本文將介紹顯微拉曼光譜儀在鋰離子電池研究中的應(yīng)用，探討其在電極材料分析、固態(tài)電解質(zhì)研究、電池動力學(xué)研究、表面改性研究和負(fù)極薄膜觀察等方面的重要作用。

鋰離子電池的性能與電極材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成密切相關(guān)，電池的正極和負(fù)極材料在鋰嵌入和脫出過程中經(jīng)歷著復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，顯微拉曼光譜儀可以清晰的觀察這些電極材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化。

鋰離子電池中的正極材料通常是層狀結(jié)構(gòu)的氧化物，如鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鋰鈷鎳氧化物（LiNi1-yCoyO2）等。這些材料的晶體結(jié)構(gòu)會隨著鋰離子的嵌入和脫出而發(fā)生變化。通過顯微拉曼光譜，研究人員可以觀察到晶格振動模式的變化，以了解鋰離子插入和脫出的過程。例如，Kostecki 等人使用顯微拉曼光譜技術(shù)與電化學(xué)分析相結(jié)合，獲得了LiNi0.8Co0.15 Al0.05O2電極充放電后有關(guān)化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)信息的圖譜。

圖1 （a）LiNi0.8Co0.15Al0.05O2電極的平均拉曼光譜；（b）循環(huán)電池的復(fù)合LiNi0.8Co0.15Al0.05O2電極52μm×75μm拉曼mapping圖像，紅色、藍(lán)色和綠色的強度分別對應(yīng)于各光譜的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2和石墨D、G帶的強度；（c）電極上三個單獨LiNi0.8Co0.15Al0.05O2顆粒的顯微拉曼光譜。

石墨類碳材料具有容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是鋰電池中最常用的負(fù)極材料。石墨類材料的拉曼光譜于1000~2000cm-1之間出現(xiàn)兩個拉曼峰，即位于1582cm-1的E2g2模式振動（G帶峰）和位于1330cm-1處的A1g模式振動（D帶峰）。其中G帶峰來源于碳原子sp2伸縮振動，是石墨的特征峰，Ｄ帶峰則來源于碳環(huán)的呼吸振動，與材料中的晶格缺陷和無序化有關(guān)。因此D、G帶的峰強度比（ID/IG）可以用來反映碳材料的石墨化程度，ID/IG越小，表明碳材料的缺陷越少，石墨化程度越高。石墨在充放電過程中會發(fā)生劣化。拉曼光譜D和G帶的ID/IG比值與結(jié)構(gòu)損傷有關(guān)，D波段強度相對于G波段強度的增加表明石墨的結(jié)構(gòu)缺陷增加。因此通過拉曼成像可以清晰地顯示石墨結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。因此，可以用ID/IG表征充放電過程中石墨類碳材料的損傷程度。

圖2 循環(huán)充放電之前（a）和之后（b）的拉曼mapping圖像。（c）經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后的石墨的拉曼光譜。

傳統(tǒng)鋰離子電池使用液態(tài)電解質(zhì)，但固態(tài)電解質(zhì)因其潛在的高安全性和穩(wěn)定性而備受關(guān)注。通過顯微拉曼光譜，可以分析固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、界面化學(xué)、離子擴散、化學(xué)成分和性能響應(yīng)等。通過觀察振動模式的變化，研究人員可以了解電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、離子傳導(dǎo)性和電化學(xué)性質(zhì)。這有助于改進電池技術(shù)、優(yōu)化電解質(zhì)的性能和穩(wěn)定性，并了解界面的化學(xué)成分和電化學(xué)過程。

圖3 薄膜電池中LixMn2O4陰極表面在充電（a）和放電（b）期間的原位拉曼光譜。（c）587cm-1處拉曼峰強度、電流與電勢的相關(guān)圖。

總的來說，顯微拉曼光譜儀在鋰離子電池研究中發(fā)揮著不可或缺的作用。它提供了高分辨率的結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息，有助于優(yōu)化電池設(shè)計、改進電池性能、延長壽命，為清潔能源和電動交通的發(fā)展做出貢獻。隨著技術(shù)的不斷進步，顯微拉曼光譜儀將繼續(xù)為鋰離子電池研究提供更多精確和有價值的信息，推動著能源存儲技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進。這一先進工具將在未來的能源領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，加速清潔能源的普及和減少對有限化石燃料的依賴。

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