方案推荐|显微拉曼光谱仪助力锂离子电池的研究

2023-10-30 19:50:19 奥谱天成（厦门）光电有限公司

锂离子电池是一种高性能、轻便且可重复充电的电池技术，因其高能量密度而备受青睐，广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等移动能源领域。随着对能源存储需求的不断增加，锂离子电池的性能优化和安全性成为研究的热点。在锂离子电池研究中，显微拉曼光谱仪已经成为一种强大的工具，它可以提供关于电池内部结构、化学成分和动力学过程的详细信息。本文将介绍显微拉曼光谱仪在锂离子电池研究中的应用，探讨其在电极材料分析、固态电解质研究、电池动力学研究、表面改性研究和负极薄膜观察等方面的重要作用。

图片来源：Let’s Talk Science

锂离子电池的性能与电极材料的结构和化学组成密切相关，电池的正极和负极材料在锂嵌入和脱出过程中经历着复杂的电化学反应，显微拉曼光谱仪可以清晰的观察这些电极材料的微观结构和化学变化。

锂离子电池中的正极材料通常是层状结构的氧化物，如钴酸锂（LiCoO₂）、锰酸锂（LiMn₂O₄）、锂钴镍氧化物（LiNi_1-yCo_yO₂）等。这些材料的晶体结构会随着锂离子的嵌入和脱出而发生变化。通过显微拉曼光谱，研究人员可以观察到晶格振动模式的变化，以了解锂离子插入和脱出的过程。例如，Kostecki 等人使用显微拉曼光谱技术与电化学分析相结合，获得了LiNi_0.8Co_0.15 Al_0.05O₂电极充放电后有关化学成分和结构信息的图谱。

图1 （a）LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂电极的平均拉曼光谱；（b）循环电池的复合LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂电极52μm×75μm拉曼mapping图像，红色、蓝色和绿色的强度分别对应于各光谱的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂和石墨D、G带的强度；（c）电极上三个单独LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂颗粒的显微拉曼光谱。

石墨类碳材料具有容量高、循环稳定性好等优点，是锂电池中最常用的负极材料。石墨类材料的拉曼光谱于1000~2000cm^-1之间出现两个拉曼峰，即位于1582cm^-1的E_2g2模式振动（G带峰）和位于1330cm^-1处的A_1g模式振动（D带峰）。其中G带峰来源于碳原子sp²伸缩振动，是石墨的特征峰，Ｄ带峰则来源于碳环的呼吸振动，与材料中的晶格缺陷和无序化有关。因此D、G带的峰强度比（I_D/I_G）可以用来反映碳材料的石墨化程度，I_D/I_G越小，表明碳材料的缺陷越少，石墨化程度越高。石墨在充放电过程中会发生劣化。拉曼光谱D和G带的ID/IG比值与结构损伤有关，D波段强度相对于G波段强度的增加表明石墨的结构缺陷增加。因此通过拉曼成像可以清晰地显示石墨结构发生的变化。因此，可以用I_D/I_G表征充放电过程中石墨类碳材料的损伤程度。

图2 循环充放电之前（a）和之后（b）的拉曼mapping图像。（c）经过不同循环次数后的石墨的拉曼光谱。

传统锂离子电池使用液态电解质，但固态电解质因其潜在的高安全性和稳定性而备受关注。通过显微拉曼光谱，可以分析固态电解质的结构、晶体缺陷、界面化学、离子扩散、化学成分和性能响应等。通过观察振动模式的变化，研究人员可以了解电解质的晶体结构、离子传导性和电化学性质。这有助于改进电池技术、优化电解质的性能和稳定性，并了解界面的化学成分和电化学过程。

图3 薄膜电池中Li_xMn₂O₄阴极表面在充电（a）和放电（b）期间的原位拉曼光谱。（c）587cm^-1处拉曼峰强度、电流与电势的相关图。

总的来说，显微拉曼光谱仪在锂离子电池研究中发挥着不可或缺的作用。它提供了高分辨率的结构和化学信息，有助于优化电池设计、改进电池性能、延长寿命，为清洁能源和电动交通的发展做出贡献。随着技术的不断进步，显微拉曼光谱仪将继续为锂离子电池研究提供更多精确和有价值的信息，推动着能源存储技术的不断创新和改进。这一先进工具将在未来的能源领域中发挥更大的作用，加速清洁能源的普及和减少对有限化石燃料的依赖。

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研究涉及产品：ATR8300