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HORIBA用戶動態(tài) | 固態(tài)電解質(zhì)鋰電池的原位研究

時間:2017-9-21 閱讀:840
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作者:Laboratoirede Physico-Chimie Moléculaire (LPCM)-University of Bordeaux I, France.

 

編譯:文軍

 

前言

 

在上一篇中,我們向大家介紹了如何用拉曼研究鋰電池充放電過程正負。今天,我們?nèi)詫⒑湍囊涣墓庾V分析對鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深刻作用。

 

您知道么,現(xiàn)在的拉曼光譜技術(shù)可以實時原位跟蹤電池中離子濃度的變化,進而確定離子的擴散系數(shù)以及離子遷移數(shù),在固態(tài)電解質(zhì)電池分析中經(jīng)常大顯身手。同時越來越多的鋰電研究都用到拉曼光譜技術(shù)。想要詳細了解這些,您就跟我們一起走進拉曼篇(2)——固態(tài)電解質(zhì)鋰電池的原位研究吧!

 

 

利用拉曼我們來分析什么?

 

固態(tài)電解質(zhì)電池相比傳統(tǒng)液態(tài)電解液電池,可以有效避免電池漏液,而且還可以將電池做得更?。ê穸葍H為0.1mm)、能量密度更高、體積更小,是未來鋰電行業(yè)的發(fā)展方向。

 

然而在電池的設(shè)計研究過程中,離子的擴散定向遷移是設(shè)計任一款新型電池時必須考慮的因素它直接關(guān)乎到電池的容量、充放電效率、使用壽命等,因此這兩項指標的研究是非常重要的。

 

目前,在液態(tài)的電解質(zhì)中,有很多成熟的技術(shù)可以測量離子的擴散和定向遷移,但是對于聚合物電解質(zhì)來說,這些技術(shù)已經(jīng)不再適用。

 

此時,顯微拉曼光譜成為一種可供選擇的替代工具,可以實時原位跟蹤電池中離子濃度的變化,進而確定離子的擴散系數(shù)以及離子遷移數(shù)。

 

 

1.案例1:鋰/固態(tài)聚合物/鋰對稱型電池分析

 

本案例中,波爾多大學(xué)的研究人員選用Li/PEOLiTFSI/Li對稱型電池作為分析對象,利用拉曼光譜得到的濃度曲線,確定鋰鹽的擴散系數(shù)以及離子遷移數(shù)。

 

在電池充電之前,研究人員首先進行一遍測量,檢查整個電解質(zhì)中鋰鹽濃度的均勻性。然后依次施加方向相反的恒定電流,利用HORIBA的激光拉曼光譜儀原位測量達到穩(wěn)定狀態(tài)后電解質(zhì),建立濃度梯度。zui后,通過得到的實驗結(jié)果,研究人員可以直觀的看到電流密度和鋰鹽濃度值的關(guān)系(結(jié)果參見下圖)。正如預(yù)期的那樣,濃度梯度的大小隨著所通電流密度值增大而增大。據(jù)此,我們還可以得出達到穩(wěn)定狀態(tài)后鋰鹽濃度隨著弛豫時間變化的信息[1],從而進一步確定擴散系數(shù)和離子遷移數(shù)。

1. (上)鋰電和PEOLiTFSI電解質(zhì)之間的實驗測量點,紅色標記為選定的測量點,橫坐標為各點之間距離

2.(下)拉曼光譜成像顯示出的鋰鹽濃度,該濃度值依賴于位置(橫坐標),充放電電流和弛豫時間(左側(cè)縱坐標)。

 

2.其他案例

 

除了上述對鋰/固態(tài)聚合物/鋰對稱型電池進行拉曼分析,波爾多大學(xué)的研究人員還做了兩項其他方面的研究:

 

  1. 利用顯微拉曼光譜解析電解質(zhì)的P(EO)n LiTFSI薄膜中的鋰鹽濃度。
  2. 利用拉曼光譜對鋰離子在LixV2O5負材料中的插入和脫出進行分析,發(fā)現(xiàn)拉曼可以作為電測試之外另一種行之有效的手段,從而更好地認識復(fù)合電中發(fā)生的離子插入。

 

因篇幅所限,本文暫不贅述,您可以手機識別二維碼索取詳細測試研究分析報告。

 

 

揭秘:為什么越來越多的鋰電研究用到拉曼光譜技術(shù)?

 

顯微拉曼光譜技術(shù)可以通過一個可觀察的窗口進行微型電池的原位表征,就是說我們可以實時追蹤到電池中正在進行的變化。此外,現(xiàn)代顯微拉曼技術(shù)所具備以下的性能,較其他測量技術(shù)具備以下突出的優(yōu)勢,因此受到越來越多的鋰電研究人員的關(guān)注。

 

1.實時監(jiān)測鋰電池的充放電過程,要求拉曼光譜儀具有快速的數(shù)據(jù)采集、拉曼成像和高通量等特點。因此,研究人員可以追蹤快速的化學(xué)反應(yīng)過程,如離子擴散和遷移。

 

2.電池的小型化是未來微電池的發(fā)展需求,而在透明的電解質(zhì)中,顯微拉曼的空間分辨率可達到衍射限(亞微米),這就使得顯微拉曼助力微電池研究切實可行。

 

致謝

本文結(jié)果是在法國波爾多大學(xué)分子物理化學(xué)實驗室取得的。特別感謝J-C. Lassègues教授和L. Servant教授從他們的廣泛的拉曼-光譜化學(xué)研究工作中提供的實驗數(shù)據(jù)。

 

參考文獻:

[1]Raman spectroelectrochemistry of a Lithium/polymer electrolyte symmetric cell, Isabelle rey, jean-Luc Bruneel, Joseph Grondin, Laurent servant and jean-Claude Lassègues, J. Electrochem. Soc., 145(9), pp3034-3042.

 

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