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在線電化學質譜儀在鋰離子電池研究中的應用
點擊次數:3953 更新時間:2020-03-04

     能源儲(chu) 存和轉換技術是當今社會(hui) 可持續發展的一種重要的技術,由於(yu) 電化學儲(chu) 能係統具有各種優(you) 勢,如汙染少、循環效率高、壽命長以及成本低等,而備受關(guan) 注。鋰離子電池儲(chu) 能技術由於(yu) 其能量密度高、循環壽命長等優(you) 點,具有廣闊的應用前景。     

      在線電化學質譜可以準確定量鋰離子電池反應過程中消耗和生成氣體(ti) 的量,通過結合電池反應時通過的電量Q,研究鋰離子電池的可逆主反應和不可逆副反應;鋰離子電池發生副反應時通常伴隨著氣體(ti) 的產(chan) 生,如 H2、CO、CO2 等,所以測定氣體(ti) 種類和含量,並結合電量計算和同位素跟蹤,可以進一步明確正、負極材料、電解液或SEI膜在鋰離子電池運行中時的變化。

圖1  在線電化學質譜的結構示意圖

 

      在線電化學質譜係統主要包括三大部分:載氣傳(chuan) 輸調節係統、電化學反應裝置和質譜儀(yi) 。載氣首先由氣體(ti) 鋼瓶進入捕集阱,排除雜質氣體(ti) (主要是 H2O 和CO2 等)對實驗的幹擾,然後進入流量控製器。流量控製器對實驗測定至關(guan) 重要,流速太慢容易降低氣相產(chan) 物的轉移效率,流速太快使得電解液揮發加劇,所以用戶可以根據實驗體(ti) 係的不同,對流量進行調節。閥可以控製載氣的開關(guan) 。鋰離子電池反應裝置內(nei) 可形成螺旋梯度氣體(ti) 流場,使得氣流更加穩定,大大減小渦流情況的發生概率,也可提高氣體(ti) 傳(chuan) 輸效率。冷阱和 Teflon 膜可除去樣氣中的有機電解液,保證數據的準確性。後,待測氣體(ti) 進入采樣毛細管進樣組件,經加熱恒溫後進入在線質譜儀(yi) 中。電子轟擊型離子源(EI)可產(chan) 生一定能量的電子,並在電離室中將待檢測化合物電離形成分子離子碎片及碎片離子,由質量分析器篩選所需離子後按質荷比大小依次抵達檢測器,信號經過放大、記錄得到氣體(ti) 變化趨勢圖。

圖2 鋰氧電池的MSCV圖

 

      由上圖可見,在線電化學質譜可測定鋰氧電池中反應物O2和副產(chan) 物CO2隨電極電位和時間的變化。在線電化學質譜技術可同時確定每種產(chan) 物的法拉第電流隨電極電位或時間的變化,通過時間軸向電勢軸變換而獲得質譜伏安圖(Mass Spectrometric Voltammograms ,MSCV),結合電化學反應循環伏安,得到相關(guan) 反應機理和定量信息。

      綜上所述,在線電化學質譜作為(wei) 一個(ge) 非常重要的分析手段,可以對鋰離子電池係統儲(chu) 能器件的安全性和性能研究起到至關(guan) 重要的氣體(ti) 進行檢測,因此電化學在線質譜技術對於(yu) 深入研究鋰離子電池儲(chu) 能器件中存在的重大科學問題和提高儲(chu) 能器件的產(chan) 品質量方麵展現了廣闊的應用前景。

 

關(guan) 於(yu) 舜宇恒平過程質譜儀(yi) 器

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