红外-拉曼联用显微系统结合密封池表征锂离子电池组件充放电劣化
发布时间:2026-01-15 阅读次数：146次
*希望使用红外和拉曼对样品中有机成分、无机成分及碳材料进行详细分析*
摘要
锂离子电池（LiBs）凭借其高能量密度、长寿命及大容量等卓越特性，已广泛应用于智能手机、电动汽车等领域。然而，随着反复充放电，其组件逐渐劣化，导致电池容量下降的问题日益显著。LiBs主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液及外壳组成，因此可以通过检查充放电前后各组件的变化来分析劣化原因。然而，LiBs中大多数组件易与空气中的水分和氧气发生反应，因此分析过程需在隔绝空气的条件下进行。而且，这些组件涵盖多种有机物、无机物及碳材料。从分析技术层面，红外光谱与拉曼光谱常用于其定性分析。这两种技术虽同属振动光谱范畴，但具有一定的互补性——某些类型的信息可能只能通过其中一种方法获得。因此，传统上需要使用红外与拉曼两台设备。
岛津AIRsight红外拉曼显微镜是一款全新的高通用性分析装置。该设备可在不移动样品的情况下，对同一微小区域进行原位红外-拉曼多光谱表征，快速精准分析有机物、无机物、有机无机混合物及碳材料，显著提升微区定性分析精度。本文将介绍使用AIRsight显微镜和密封池，在隔绝空气条件下表征锂离子电池的正极、负极和隔膜三种材料充放电前后变化的应用实例。
实验方法
样品：充放电循环前后的模型锂离子电池。
充放电处理：对制备好LiBs进行100次充放电循环（充电截止电压为4.8 V、温度为40 ℃），以此制备充放电循环后的样品。
手套箱：将充放电循环后的LiBs样品在手套箱中拆解清洗后，并将各组件（正极材料、负极材料、隔膜材料）分别装入密封池中。未经充放电的全新LiBs组件也以类似方式封装于密封池内，用于对照。
密封池：样品在手套箱内惰性气氛中装入密封池后，可在隔绝空气的条件下进行显微红外透射/反射光谱及显微拉曼光谱测量。由于池体密封环境可维持两周，因此期间也可对样品进行密封存储或运输。本实验密封池窗片采用氟化钙材质。
所用仪器：岛津AIRsight红外拉曼显微镜（在显微红外反射模式下，使用15倍红外物镜；在显微拉曼模式下，使用50倍拉曼物镜，激发波长为532 nm）
测试结果
01正极材料（LiFePO4）的测量
红外
采用显微红外光谱法对正极材料磷酸铁锂（LiFePO4）进行测试，背景测量时使用与样品一同封装在密封池中的铝板。图2和图3分别显示了进行Kramers-Kronig（K-K）变换前后的测量结果。
如图3所示，充放电循环前后样品红外光谱的峰形存在差异：1230 cm-1处出现PO3基团的伸缩振动峰，1075 cm-1处峰位向高波数偏移，这可能来源于充放电过程中Li脱嵌及FePO4相生成所致，表明电极因反复充放电而逐渐劣化。
02 负极材料（石墨）测量
拉曼
采用显微拉曼光谱法对负极材料（石墨）进行了测试，结果如图4与图5所示。在图5的图例中，标注了充放电循环前后样品D带和G带的强度比（ID/IG）。
在拉曼光谱中，碳材料在1580 cm-1处存在一个特征峰，称为G带，归属于石墨的sp2键；在1350 cm-1处存在另一个特征峰，称为D带，归属于与晶体结构无序性相关的sp3键。石墨具有平面层状三维结构，G带在石墨结构基面处信号较强，而D带则在边缘（端面）附近信号较强。
如图5所示，与G带信号强度的变化相比，充放电循环后样品的D带信号强度明显高于原始样品（循环前）。这表明充放电循环可能导致石墨晶体结构或三维排列变化。
可以注意到，图4中310 cm-1附近的峰源自CaF2窗片。密封池采用杂质极少的拉曼级CaF2窗片，因此仅出现半峰宽较窄的单峰（对应CaF2的拉曼峰），表明窗片材料中的杂质对石墨拉曼光谱分析无干扰。
03 隔膜材料（PP）测量
红外
采用显微红外光谱法对隔膜材料（PP）进行了测试，与正极材料的测量方法一致，背景测量时也使用了与样品一同密封在密封池中的铝板，测量结果如图6所示。
图6显示，充放电循环前后，样品的隔膜材料（PP）的红外光谱图未发现明显差异；且在本实验设定的充放电条件下，未观察到指示PP劣化的光谱变化。
结论
本文介绍了使用AIRsight红外拉曼显微镜的显微红外和显微拉曼模式，结合密封池提供的隔绝空气环境，对充放电循环前后模型锂电池样品的正极材料（LiFePO4）、负极材料（石墨）及隔膜材料（PP）劣化情况进行评估的示例。结果表明，反复充放电会导致正极材料（LiFePO4）与负极材料（石墨）的结构发生变化。AIRsight仅用一台设备即可实现红外与拉曼测量，配合密封池使用，可在惰性气氛下对锂离子电池各类组件进行性能评估。
--岛津AlRsight红外拉曼显微镜，一台设备实现红外与拉曼测量，助力有机物、无机物、有机无机混合物及碳材料的综合分析！--
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