鋰電池界面反應(yīng)中原位紅外光譜檢測方案研究

1. 引言

鋰電池界面反應(yīng)（如 SEI 膜形成、電解液分解、電極 - 電解液副反應(yīng)等）是影響電池性能、壽命和安全性的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)離線檢測技術(shù)（如 SEM、XPS）難以捕捉動態(tài)反應(yīng)過程，而原位表征技術(shù)可實時監(jiān)測界面演化，為揭示反應(yīng)機理提供直接證據(jù)。紅外光譜（IR）因?qū)瘜W(xué)基團敏感、非破壞性及可實時檢測的特點，成為研究鋰電池界面反應(yīng)的重要工具。本文系統(tǒng)闡述基于紅外光譜儀的原位檢測方案設(shè)計及應(yīng)用。

2. 原位紅外光譜檢測原理

• 光學(xué)兼容性：電池結(jié)構(gòu)需包含透明窗口（如 CaF?、ZnSe 晶體）以允許紅外光穿透。

• 電化學(xué)穩(wěn)定性：窗口材料需耐受電解液腐蝕及電池工作電壓。

• 信號干擾：消除金屬集流體及電極材料的紅外吸收背景。

3. 原位檢測裝置設(shè)計

• 三明治式電池：正極 / 電解液 / 透明窗口 / 負極，窗口與電解液直接接觸。

• 全固態(tài)電池：采用離子導(dǎo)電玻璃（如 LiPON）替代液態(tài)電解液，避免窗口腐蝕。

工作電極制備：將活性材料（如 LiCoO?）與紅外透明粘結(jié)劑（如 PVDF）混合，涂覆于透明基底

（如 Al?O?）。

• 透射模式：紅外光穿透電池，適用于薄型電極（<50 μm）。

• 衰減全反射（ATR）模式：利用內(nèi)反射原理增強信號，適用于厚電極或復(fù)雜界面。

• 原位 FTIR - 電化學(xué)工作站：同步采集光譜與充放電曲線，關(guān)聯(lián)反應(yīng)動力學(xué)。

• 原位 FTIR - 顯微鏡：實現(xiàn)微區(qū)（μm 級）界面分析，揭示反應(yīng)異質(zhì)性。

4. 典型應(yīng)用案例

• 在 Li||Cu 電池中，原位 FTIR 檢測到放電時 EC 還原生成 Li?CO?（1420 cm?1）和 ROCO?Li（1730 cm?1），證實 SEI 膜的雙層結(jié)構(gòu)。

• 溫度依賴性實驗表明，高溫加速 LiF（640 cm?1）生成，導(dǎo)致 SEI 膜阻抗降低。

• 檢測到 LiPF?分解產(chǎn)物 PF?（1220 cm?1）和 POF?（1050 cm?1），揭示 HF 催化下的鏈式分解反應(yīng)。

• 添加劑（如 VC）可通過紅外峰強度變化（1630 cm?1）監(jiān)測其在電極表面的聚合行為。

• 在 LiCoO?表面觀察到電解液氧化產(chǎn)物（如 CO?，2340 cm?1），證實高電壓下的界面氧化反應(yīng)。

5. 挑戰(zhàn)與展望

• 空間分辨率限制：常規(guī) FTIR 光斑尺寸（~100 μm）難以捕捉納米級界面變化。

• 信號強度不足：界面產(chǎn)物濃度低，需結(jié)合表面增強紅外吸收（SEIRA）技術(shù)。

• 環(huán)境干擾：水蒸氣和 CO?吸收導(dǎo)致基線漂移，需配備真空或惰性氣體吹掃系統(tǒng)。

• 超快紅外光譜：時間分辨率提升至 ms 級，捕捉瞬時反應(yīng)過程。

• 多模態(tài)成像：結(jié)合 AFM/STM 實現(xiàn)形貌與化學(xué)結(jié)構(gòu)同步分析。

• 人工智能輔助分析：利用深度學(xué)習(xí)解析復(fù)雜光譜數(shù)據(jù)，預(yù)測界面反應(yīng)路徑。

6. 結(jié)論