【摘要】 深度解析原位红外光谱在锂离子电池SEI层分析、电解质降解监测中的应用，探讨傅里叶变换红外光谱(FTIR)在电池研发中的技术优势与发展趋势。

一、能源存储技术革新中的关键检测手段

随着电动汽车和可再生能源的快速发展，锂离子电池（LIBs）作为核心储能装置正面临性能优化的关键阶段。传统检测手段难以实时观测电池内部反应，而原位红外光谱技术通过独特的分子指纹识别能力，正在成为破解电极-电解质界面演变机制的重要工具。

锂离子电池原位红外光谱检测系统示意图（含IRAS、ATR、DRIFTS三种模式）

图1 原位红外光谱最常用的构型。(a)红外光谱仪; (b)原位红外光谱仪; (c)漂移光谱仪

 

二、核心技术原理与设备优势

2.1 傅里叶变换红外光谱(FTIR)的突破性应用

在电池研究领域，FTIR技术通过以下核心优势建立独特地位：

  • ​高灵敏度检测：可识别10^-6级的分子浓度变化
  • ​实时动态监测：支持充放电循环中的连续数据采集
  • ​多界面分析能力：同步解析电极表面与电解质演变
  • ​低成本普及性：相比XRD等设备具有更高性价比

 

2.2 三大检测模式的技术对比

检测模式

适用场景

分辨率优势

典型应用案例

IRAS

平滑电极

反射信号强

金属锂沉积观测

ATR

薄膜材料

背景干扰低

SEI层成分分析

DRIFTS

粗糙表面

三维空间解析

固态电解质研究

 

三、锂电研究中的核心突破方向

3.1 SEI层形成机制的深度解析

通过原位红外光谱捕捉到的关键数据表明：

1.碳酸酯类电解液的分解路径存在双阶段特征

2.LiPF6分解产物的空间分布与电压平台相关性

3.硅基负极的体积膨胀对界面稳定性的影响规律

3.2 电池失效机理的动态追踪

某研究团队采用ATR-FTIR配置发现：

  • 过充电状态下C=O键强度异常波动
  • Li2CO3生成速率与循环次数的指数关系
  • 电解液分解产物在1.5V阈值的突增现象

 

四、技术挑战与未来发展趋势

尽管取得显著进展，当前技术仍面临：

1.空间分辨率限制：微米级反应区域的信号混叠

2.时间响应延迟：毫秒级快速反应的捕捉难度

3.​多技术联用瓶颈：与电化学工作站的数据同步优化

行业专家预测，未来五年内将实现：

  • 纳米级红外探针的工业化应用
  • 人工智能辅助的图谱解析系统
  • 多模态原位检测平台标准化

 

参考文献：1.Murilo M. Amaral, Carla G. Real, Victor Y. Yukuhiro, Gustavo Doubek, Pablo S. Fernandez, Gurpreet Singh, Hudson Zanin, In situ and operando infrared spectroscopy of battery systems: Progress and opportunities, Journal of Energy Chemistry, Volume 81, 2023, Pages 472-491, ISSN 2095-4956, https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.02.036.

 

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