作者：RenataLewandowska,MiyokoOkada,TomokoNumata

翻譯：文軍

鋰離子電池成就的奇跡

談起新能源汽車，就不得不說美國的“特斯拉汽車公司”，目前其打造的純電動車采用為先進的鋰離子能量存儲，理論上48萬公里行駛后電池衰減比例僅有5%。而其所配備的能量再生制動系統(tǒng)則可在車子減速時為鋰離子電池組充電，使得車子在行走途中就可獲得能量的補給。

特斯拉MODEL 3

可以說鋰電池技術(shù)的發(fā)展不僅將特斯拉的新能源汽車變成了現(xiàn)實，創(chuàng)造了奇跡，更成就了特斯拉汽車公司CEO埃隆·馬斯克成為繼喬布斯外第二個科技狂人。

2017年5月9日，《時代》雜志發(fā)布了2017年“科技領(lǐng)域zui有影響的20人”榜單，埃隆·馬斯克上榜。

隨著對動力需求的不斷增長和日趨復(fù)雜化，如何提高鋰離子電池的性能始終是鋰電池領(lǐng)域各廠家致力于突破的一個非常重要的課題。

令人欣喜的是，激光拉曼光譜技術(shù)被越來越多的研究人員用于該領(lǐng)域的探索和突破。這種非接觸的快速分析技術(shù)，能夠直接分析材料中的結(jié)構(gòu)變化，而不對材料產(chǎn)生影響。拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)被用作鋰電池在充放電循環(huán)過程中的實時的原位分析，從而實現(xiàn)標準分析，包括材料結(jié)構(gòu)和電子屬性、耐久性，以及自動質(zhì)量控制測試等。此外，的研究還表明：拉曼光譜可以用于研究這些電池生命周期的各個階段，諸如復(fù)雜體系中的新材料的表征、故障分析等。因篇幅有限，今天，本文重點為您揭示顯微拉曼光譜在鋰電池充放電過程中對正材料和負材料是如何進行分析的。

▎如何分析?

鋰離子電池充放電過程中，鋰離子經(jīng)由電解液在兩電之間穿梭，會帶來兩個電材料的結(jié)構(gòu)變化。理想狀態(tài)之下，這些變化都是可逆的。但是在實際情況中，充放電過程會給電池的正負電造成某些不可逆轉(zhuǎn)的變化。那么它們的變化是怎樣的？讓我們通過拉曼光譜的“正分析”與“負分析”一窺究竟吧。

01 正分析

鋰離子電池zui常用的正材料是層狀的鋰鈷氧（LiCoO₂，LCO）材料。在充放電過程中，鋰離子在層狀的氧化鈷八面體結(jié)構(gòu)中重復(fù)地進行著插入—脫出過程。研究表明，電池過放電會導(dǎo)致氧化鈷層的不可逆轉(zhuǎn)的分解，成為氧化鈷(CoO)和氧化鋰(Li₂O)；而電池過充電則會導(dǎo)致LiCoO₂轉(zhuǎn)變成二氧化鈷（CoO₂）。所有這些變化都可以利用拉曼光譜進行觀察。

如下圖1所示，拉曼光譜特征峰（橙色）屬于鋰鈷氧正，而拉曼光譜譜線（紅色）顯示出了屬于二氧化鈷（CoO₂）的特征峰。

圖1.正材料中有無CoO₂的光譜區(qū)別.

下圖2是經(jīng)歷了一次充放電循環(huán)過程后，正材料的拉曼成像結(jié)果，拉曼成像清楚顯示出了二氧化鈷（CoO₂）的存在，佐證了電池發(fā)生過充。

圖2. 經(jīng)歷了一次充放電循環(huán)過程后的鋰鈷氧正材料的拉曼成像

藍色對應(yīng)非晶態(tài)碳，橙色對應(yīng)鋰鈷氧，紅色點對應(yīng)不同濃度二氧化鈷

除了上述佐證正材料過充現(xiàn)象的存在，研究人員還利用拉曼光譜去尋找和研究新的正材料，比如不同種類的鋰-過渡金屬混合氧化物，如Li(Ni, Mn, Co)O₂，LiMn₂O₄，這是目前研究的熱點材料。這些材料各自具有不同的拉曼光譜特征峰，如下圖3所示，拉曼光譜可為新型電材料研究提供。

圖3. LiCoO2、Li(Ni, Mn, Co)O2，LiMn2O4，Li2TiO3的拉曼光譜圖

02 負分析

鋰離子電池zui常用的負材料是石墨，經(jīng)過反復(fù)充放電循環(huán)以后，石墨電會發(fā)生退化。在石墨的拉曼光譜中，D峰和G峰的相對強度I_D/I_G比值與石墨電結(jié)構(gòu)的損壞有著密切的關(guān)系。隨著石墨電結(jié)構(gòu)的退化，D峰的強度不斷增加。

在下圖4中我們可以看出相對強度的變化。圖5的拉曼成像中，可以清楚地看到石墨電結(jié)構(gòu)的變化。

圖4. 具有不同相對比值ID/IG的石墨正材料的拉曼光譜

圖5. 石墨負經(jīng)歷一個充放電循環(huán)之后的拉曼成像：藍色區(qū)域?qū)?yīng)于缺陷較少的石墨，深藍色區(qū)域?qū)?yīng)于缺陷較多的石墨，橙色區(qū)域?qū)?yīng)于樹脂粘結(jié)劑。

▎總結(jié)和展望

由于拉曼光譜能夠應(yīng)對鋰離子電池各類研發(fā)的需求，并滿足在線自動質(zhì)量控制的要求，因而借助拉曼光譜的探索，鋰離子電池必將能夠發(fā)揮出更大的“能量”。

如果您對本文案例感興趣，歡迎您手機識別下方二維碼索取詳細文章。 在下一篇文章中，我們將為您介紹拉曼光譜在鋰電池充放電過程中對電解液如何進行分析，帶您了解該項技術(shù)的其他應(yīng)用，歡迎您的關(guān)注。

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zui后，小編歡迎您留言說說看，您身邊的鋰電池應(yīng)用都有哪些？特斯拉你已經(jīng)開起來了嗎？

▎延伸閱讀

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