Small Methods: 传统的振动光谱技术在电池研究中的应用

在现有的储能技术中,锂离子电池以高能量密度、长循环寿命、高工作电压等诸多优点主导了便携式电子产品的电源。但锂资源的稀缺和全球的不均匀分布,很大程度上会限制其在大规模储能中的应用。相比之下,钠/钾资源丰富,价格低廉。钠/钾离子电池是非常具有发展潜力的电池体系,已经逐渐成为储能电池领域的研究热点。二次电池的各项电化学性能,如比容量、倍率性能、可逆性、循环稳定性等,都与正负极材料、电解质组成以及电极-电解质界面在充放电过程中的结构与组成变化息息相关。因此,借助先进的表征手段深入研究电极材料及其界面的结构与组成,获得充放电过程结构与组成的变化信息,对深入理解材料的储能机制,进一步设计与优化二次电池的电化学性能有着重要的指导意义。

近日,俄勒冈州立大学的纪秀磊教授课题组,南京航空航天大学的张校刚教授课题组,和华南理工大学的邓远富教授系统地评述了拉曼(Raman)光谱和红外(IR)光谱技术在二次电池中的最新研究进展,特别是原位拉曼光谱和原位傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术在钠/钾离子电池中的应用。拉曼光谱和红外光谱是两种重要的分子振动光谱,具有检测快捷、分辨率高和无损伤等特点。拉曼光谱能提供材料中振动、转动以及低频激发的非弹性散射的信息,可以给出材料的结构、取向、组成分子等重要信息。红外光谱具有化学键振动的特征性,利用反应分子给出较强的指纹吸收,通过红外吸收频率和强度的变化探测物种及其变化,可以获得有关反应机理的重要信息。利用二者分辨率高和无损伤的特点,特别适合原位检测电极材料在电化学过程中的组成和结构变化。在文中作者着重阐述了原位拉曼光谱和原位傅里叶变换红外光谱测试方法的建立及其对电极材料、电解液以及电极/电解液界面反应的分析。作者最后给出了拉曼和红外光谱技术在二次电池领域应用的机遇与挑战。

该综述工作发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201700332)上。本文的第一作者为华南理工大学的邓远富教授和南京航空航天大学的博士研究生董升阳。

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