【摘要】 了解DEMS如何实时识别高压锂金属电池中的O₂、CO₂析气起点和强度，并理解它如何支撑电解液去溶剂化、高压稳定与安全性判断。

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DEMS（差分电化学质谱）可以在电池充放电过程中实时监测挥发性产物，用气体信号回答“什么时候开始析气、析出了什么气体、析气强度如何变化”。对于高压锂金属电池，DEMS能够将电解液副反应、正极放氧和安全性风险从循环结束后的推测，推进到运行过程中的直接观察。

图1：不同溶剂化结构对去溶剂化能垒和高压稳定性的影响示意。

 

为什么高压锂金属电池需要析气证据

提高电池电压可以带来更高能量密度，但也会放大电解液氧化、正极表面反应、晶格氧释放和界面膜分解等问题。气体副产物可能导致内压升高、界面阻抗增长、活性物质损失和安全风险增加。

只看容量、库仑效率或阻抗，通常只能间接判断副反应是否减少。若要明确气体副产物的种类和产生时间，需要在充放电过程中同步记录气体信号。

 

DEMS能回答哪些问题

  • *O₂和CO₂分别从哪个电压或时间点开始出现？

  • *不同电解液的析气峰值和累计释放量有何差异？

  • *析气是否与正极高电压区、溶剂氧化或界面膜分解同步？

  • *气体信号是否伴随热流、压力、容量或阻抗变化？

  • *新电解液是降低了总析气，还是改变了某类气体的生成路径？

 

AORE电解液为什么需要DEMS验证

AORE的设计目标是在保持阴离子主导溶剂化的同时，通过外围溶剂调节电子作用，降低去溶剂化能垒并改善高压稳定性。这个设计不能只靠结构示意图或循环曲线证明，还需要确认高压充电过程中是否真的减少了气体副产物。

 

TFEP-E与RCE的原位DEMS对比

图2：两种电解液在首次高压充电过程中的气体信号对比。

来源研究在2.8-4.6V区间对TFEP-E和RCE进行原位DEMS监测。结果显示，RCE在约180分钟后O₂与CO₂信号明显升高，而TFEP-E保持在较低水平。

这组结果将“高压稳定”拆解成了可观测的气体机制：CO₂可以反映碳酸盐或界面组分分解，O₂则可能与正极高压结构和晶格氧释放相关。DEMS同时捕捉两类气体，使研究人员能够比较不同电解液对不同副反应通道的抑制效果。

 

DEMS如何与其他数据形成闭环

与循环性能结合

如果气体信号降低并伴随容量保持率提高，说明副反应抑制可能与寿命改善有关，但仍需结合界面和阻抗数据验证。

与热分析结合

DEMS可以告诉你气体何时出现、是什么气体；热分析可以补充放热过程和热稳定性信息。两者结合有助于判断析气是否进入潜在热失控链条。

与电化学阻抗结合

气体信号增加但阻抗没有同步变化，可能表示副反应尚未显著阻塞界面；气体和阻抗同时增长，则需要进一步分析膜层和正极表面变化。

DEMS的价值不是单独给出“安全”或“不安全”的结论，而是为高压副反应提供时间分辨、气体种类分辨和强度分辨证据。

 

科学指南针DEMS测试咨询

科学指南针可围绕锂金属电池、锂离子电池、钠离子电池、金属空气电池和电催化体系提供DEMS测试咨询。正式沟通时，应说明电池体系、目标电压、气体种类、测试时间、气路要求、已有循环数据和希望验证的副反应机制。

如需比较服务方案，可阅读DEMS测试服务怎么选；如需设计实验，可阅读电池DEMS实验方案。

 

FAQ

DEMS只能检测O₂和CO₂吗？

不是。DEMS可以根据质谱通道、校准方式和体系特点监测多种挥发性产物。电池体系常关注O₂、CO₂、CO、H₂或其他特征气体，具体可检测范围应在项目开始前确认。

DEMS能直接说明气体来自正极还是电解液吗？

单凭一个气体峰通常不能完成来源归因。需要结合电压区间、同位素或对照电解液、正极材料、热分析和界面表征综合判断。

为什么要做原位DEMS而不是循环后取样？

循环后取样只能看到终点状态，可能错过瞬时析气和气体种类变化。原位DEMS可以记录析气起点、峰值和时间序列，更适合研究高压副反应的动态过程。

 

参考文献：An anion outer-regulated electrolyte allows rapid desolvation to enable high-voltage lithium metal batteries, Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/d5ee03465e。