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，我們仍將和您聊一聊光譜分析對鋰電池產業發展的深刻作用。

您知道么，現在的拉曼光譜技術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以及離子遷移數，在固態電解質電池分析中經常大顯身手。同時越來越多的鋰電研究都用到拉曼光譜技術。想要詳細了解這些，您就跟我們一起走進拉曼篇（2）——固態電解質鋰電池的原位研究吧！

利用拉曼我們來分析什么？

固態電解質電池相比傳統液態電解液電池，可以有效避免電池漏液，而且還可以將電池做得更薄（厚度僅為0.1mm）、能量密度更高、體積更小，是未來鋰電行業的發展方向。

然而在電池的設計研究過程中，離子的擴散和定向遷移是設計任一款新型電池時必須考慮的因素，它直接關乎到電池的容量、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，在液態的電解質中，有很多成熟的技術可以測量離子的擴散和定向遷移，但是對于聚合物電解質來說，這些技術已經不再適用。

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以及離子遷移數。

1.案例1：鋰/固態聚合物/鋰對稱型電池分析

本案例中，波爾多大學的研究人員選用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以及離子遷移數。

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定狀態后電解質，建立濃度梯度。zui后，通過得到的實驗結果，研究人員可以直觀的看到電流密度和鋰鹽濃度值的關系（結果參見下圖）。正如預期的那樣，濃度梯度的大小隨著所通電流密度值增大而增大。據此，我們還可以得出達到穩定狀態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和離子遷移數。

1. （上）鋰電和PEOLiTFSI電解質之間的實驗測量點，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（左側縱坐標）。

2.其他案例

除了上述對鋰/固態聚合物/鋰對稱型電池進行拉曼分析，波爾多大學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Li_xV₂O₅負材料中的插入和脫出進行分析，發現拉曼可以作為電測試之外另一種行之有效的手段，從而更好地認識復合電中發生的離子插入。

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？

顯微拉曼光譜技術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，現代顯微拉曼技術所具備以下的性能，較其他測量技術具備以下突出的優勢，因此受到越來越多的鋰電研究人員的關注。

1.實時監測鋰電池的充放電過程，要求拉曼光譜儀具有快速的數據采集、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反應過程，如離子擴散和遷移。

2.電池的小型化是未來微電池的發展需求，而在透明的電解質中，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

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

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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