在線電化學質譜儀在鋰離子電池研究中的應用

     能源儲存和轉換技術是當今社會可持續發展的一種重要的技術，由于電化學儲能系統具有各種優勢，如污染少、循環效率高、壽命長以及成本低等，而備受關注。鋰離子電池儲能技術由于其能量密度高、循環壽命長等優點，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的產生，如 H₂、CO、CO₂ 等，所以測定氣體種類和含量，并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

      在線電化學質譜系統主要包括三大部分：載氣傳輸調節系統、電化學反應裝置和質譜儀。載氣首先由氣體鋼瓶進入捕集阱，排除雜質氣體（主要是 H2O 和CO2 等）對實驗的干擾，然后進入流量控制器。流量控制器對實驗測定至關重要，流速太慢容易降低氣相產物的轉移效率，流速太快使得電解液揮發加劇，所以用戶可以根據實驗體系的不同，對流量進行調節。閥可以控制載氣的開關。鋰離子電池反應裝置內可形成螺旋梯度氣體流場，使得氣流更加穩定，大大減小渦流情況的發生概率，也可提高氣體傳輸效率。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。后，待測氣體進入采樣毛細管進樣組件，經加熱恒溫后進入在線質譜儀中。電子轟擊型離子源（EI）可產生一定能量的電子，并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后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，得到相關反應機理和定量信息。

      綜上所述，在線電化學質譜作為一個非常重要的分析手段，可以對鋰離子電池系統儲能器件的安全性和性能研究起到至關重要的氣體進行檢測，因此電化學在線質譜技術對于深入研究鋰離子電池儲能器件中存在的重大科學問題和提高儲能器件的產品質量方面展現了廣闊的應用前景。

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