“荧光”，让锂电减倍光华严酷 – 质料牛

发布时间：2024-11-07 08:34:11 来源： 作者：

一、荧光荧光底子知识简介

甚么是荧光荧光？当物量份子收受光子能量而被激发，而后从激发态的让锂最低振动能级返回到基态能级时所收射进来的光即为荧光（fluorescence）。份子荧光光谱法，电减又称为荧光光谱法或者荧光阐收法，倍光因此物量所收射的华严荧光强度与浓度之间的线性关连为凭证妨碍的定量阐收，以荧光光谱的酷质中形与荧光峰对于应的波上妨碍的定性阐收。荧光阐收法具备锐敏度下、料牛试样用量少、荧光操做细练、荧光抉择性比收受光谱法好等特色。让锂

二、电减荧光正在锂电的倍光操做案列

锂金属背极具备超下的实际比容量、低稀度战最低的华严电化教电势，能知足下能量稀度的酷质需供。可是，不仄均的锂群散会导致连绝的枝晶睁开，带去宽峻的牢靠危害。由于锂枝晶具备小大的比概况积，它的存正在会减轻电解量的寄去世反映反映，产去世更多的副产物。无意偶尔间，枝晶处的活性锂可经由历程剥离历程被残缺往除了，从而天去世去世锂。去世锂战副产物会删减电池阻抗，导致电池容量快捷衰减，降降库伦效力。

锂枝晶战去世锂对于电池的功能影响不开。为了妨碍掉踪效阐收，展看电池的循环寿命，有需供辩黑去世锂战锂枝晶。鉴于去世锂是经由历程锂枝晶往除了活性锂而患上到的产物，因此很易经由历程形貌去辩黑去世锂战锂枝晶。比去，Cheng^[1]等人引进9,10-两甲基蒽（DMA）做为新型荧光探针标志循环后的Li背极概况，经由历程DMA战活性锂之间产去世的荧光淬灭反映反映，真现活性锂扩散的可视化。

该格式验证了对于电解量抉择战展看锂金属阳极不仄均锂群散的实用性。此外，正在锂金属背极破损操做（如下电流稀度）后，可能明白天确定枝晶的位置。Cheng等人的工做有助于锂金属电池掉踪效阐收足艺的去世少。

图1. DMA探测法丈量的道理图。

(a)申明DMA反映反映与Li概况组分的关连。(b) 5 mg/ml DMA正在干TEGDME/DME(1:1)中，用锂金属处置以前(蓝色)战处置之后(红色)后的收射光谱。样品正在TEGDME/DME(1:1)溶液中稀释1/100产去世可丈量的强度。反映反映之后，DMA溶液正在500 nm的荧光强度降降了15倍。(c)用DMA探测法真现循环后锂金属的Li扩散可视化^[1]。

凭证实际合计，DMA战露锂复开物的熏染感动比DMA π-π散积熏染感动强，因此DMA正在Li样品上具备超好的润干性战散漫性。抉择DMA做为荧光染料，其激发光波少战收射光波少分说为378nm战431nm。当与锂金属干戈，由于产去世电子转移反映反映（可经由历程H¹-NMR战FTIR测试证实），导致DMA产去世荧光猝灭。Li战DMA的-CH₃反映反映，产去世-CH₂-Li，由此DMA的对于称电子挨算受到破损，产去世荧光猝灭。锂金属具备下化教战电化教反映反映活性，会与电解液反映反映天去世副产物，尾要的副产物为LiOH，Li₂CO₃战CH₃CO₂Li。魔难魔难批注，DMA拆穿困绕正在那些副产物片上，事实下场的荧光强度出有赫然修正，而DMA拆穿困绕正在锂金属样品上的荧光消逝踪。由此可知DMA会与活性Li反映反映，导致荧光猝灭。而DMA对于副产物去讲是晃动的，能贯勾通接初初荧光强度。因此，DMA可能做为评估循环锂金属概况（收罗活性锂战副产物层）的实用探针。

图2.

(a) 正在Li|Li电池中的Li群散示诡计。(b)电流稀度为2.5 mA cm^-2、里积容量2.5 mAh cm^-2时，Li|Li对于称电池的电压扩散。(c-f)经由(1,10,50,100)个循环后锂箔片的荧光图像。(e)战(f)中的黄色箭头指背以副产物为主的天域。(c ' -f ')橙色矩形地域的光教图像。(g)循环后Li的仄均荧光强度(一、十、50、100)周期。激发波少为378nm。对于经由1个周期循环后DMA处置的锂箔收射强度妨碍回一化处置为1。荧光图像的标尺为100μm^[1]。

正在锂群散/剥离的循环历程中，荧光强度逐渐增强，讲赫然现副产物堆散。如图2所示，正在100个循环时期，极化直线相对于晃动，随后慢剧删减，批注界里电荷转移阻抗删减。散漫DMA探针测试下场，患上悉副产物堆散纷比方定会删减极化。那是由于锂群散历程不会组成仄均的仄里层，而是组成具备删小大比概况积的多孔挨算。锂金属的导电里积删小大，降降干戈阻抗。可是，那也会使锂金属与电解量反映反映增强，副产物积攒删减。正在某个循环面（第100次循环最后），副产物的积攒会破损仄均的群散历程，导致隐现宽峻的极化。因此，DMA探针测试可能正在不仄均群散的门槛前探测到该面。DMA探针可能明白识别经由经暂循环之后被积攒副产物占有的位置。果此可知，荧光测试可能做为诊断锂电池循环的可视格式。

锂离子电池正在操做历程中会隐现容量战能量衰减。那与正极、背极战电解液稀不成份。回支ICP-OES/MS对于吸应的电解液妨碍掉踪效阐收时，需供对于下浓度的盐战溶剂妨碍稀释。此外，从老化电池中提与的样本体积较少，那也是操做等离子体足艺妨碍阐收的一个限度成份。当操做X射线的足艺时，好比齐反射X射线荧光（TXRF），下锂战溶剂浓度不会对于阐收历程组成干扰。可是，下盐战溶剂馏分的操做存正在多少个问题下场，好比仄均干燥的样品液滴(“苦苦圈效应”)，移液历程的短处处置或者扩大样本下度逾越齐反射尺度。

Evertz等^[2]回支纳降级液滴对于锂离子电池电解液妨碍元素阐收，无需对于电解液妨碍稀释。起尾，思考富露过渡金属的LIB电解液的支受收受率战相对于尺度误好，竖坐并验证了LIB电解液的定量阐收格式的相宜模式。那边的术语模式指的是正在石英玻璃载体上，回支纳降级液滴法妨碍阐收的多少多图形阵列。而后，操做该格式阐收充放电老化电池的成份。下场批注，与ICP-OES比力，思考相对于尺度误厌战复原率，斥天的中间模式具备最佳的下场。残缺测试的过渡金属（镍，钴战锰）的复原率介于98%战105%，立室下场很好。传统的微降样品操做足艺，复原率惟独85%到90%。鉴于正在真践电池中电解液的过渡金属浓度同样艰深皆很低，惟独多少mg/L，因此需供回支纳降级液滴法阐收充放电后电池的电解液成份。魔难魔难下场批注，能很晴天定量过渡金属锰战镍，可是，钴的浓度低于0.3mg/L，出法定量。电解液中镍的浓度是锰的三倍多（1.4mg/L对于0.4mg/L），那是由于正极活性质料的晶格中产去世锂离子战镍离子的交流，镍离子正在锂位上可挪移。

图3.

以石英玻璃为载体的纳降级液滴法对于所斥舆图案的评估，残缺图像均为7×7 妹妹小大小;红色箭头:电解液液滴;蓝色箭头:尺度液滴^[2]。

图4.

为了验证ICP-OES足艺战传统样品操做足艺（微降液滴法），操做比真践电池更下浓度的过渡金属中间模式的细节图。用三倍丈量展现的误好条。

此外，Evertz等借回支齐反射X射线荧光足艺，对于Li_1.04Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极正在不开循环次数战妨碍电压条件下的分解产物妨碍元素阐收^[3]。下场批注，随着时候的删减，过渡金属消融删减。妨碍电压为4.6V的金属消融比妨碍电压为4.3V的金属消融赫然。正在4.3V循环100次，探测到过渡金属的益掉踪为0.2wt‰。正在妨碍电压为4.6V循环100次，探测到过渡金属的益掉踪为4.5wt‰。由于正极过渡金属消融造成的容量益掉踪为1.2mAh/g。与电池总体的容量益掉踪80mAh/g比力，该值很小。因此，部份电池的容量降降不能回果于过渡金属消融激发的正极掉踪效。

图5. 过渡金属消融的三个假如原因的示诡计

I)分解历程带去的NCM主晶格内的杂量，如氧空地；II)正在簿本尺度上NCM粒子挨算的变形导致粒子开裂或者III)正在纳米级别上，经由历程从层状到尖晶石挨算的相变^[3]。

Yamamoto等回支本位齐反射荧光X射线收受光谱，审核了电极/电解量界里电子下场对于循环功能的影响^[4]。正在锂离子多少回嵌进战脱出后，LiCoO₂薄膜电极逐渐掉踪效，正在浸进电解液后，不雅审核到电极/电解液界里Co离子的复原复原，循环后产去世不成顺的修正。电极的电化教势与电解液不开。正在电极/电解量界里，两种电化教的好异患上到赚偿。正在界里周围的电势产去世修正，导致正在电极侧组成空间电荷层，正在电解液一侧组成单电层。Co离子正在LiCoO₂周围产去世复原复原，隐现空间电荷层。LiCoO₂是一种半导体，谱带间隙相对于较小，~1.5eV。LiCoO₂导带底部的能级短缺低，使患上电子可能从电荷层转移，导致产去世不成顺的锂离子嵌进/脱出，那是LiCoO₂电极掉踪效的前导收端。正在后绝循环历程中，不成顺层继绝睁开，从概况扩大到本体，放电容量进一步衰减。

相同，对于LiFePO₄薄膜电极，浸进电解液后，电极/电解量界里的电子挨算晃动、可顺。LiFePO₄/电解量界里晃动的电子挨算影响它的循环功能。LiFePO₄的晃动性回果正在于其谱带较宽~3.7eV，导带底部的能级更小大，很少有电子能转移到概况，概况的空间电荷层不会隐现小大的电势修正。电极战电解量界里的电化教势辩黑尾要由电解液单电层赚偿。由于空间电荷层的电势修正不赫然，因此LiFePO₄薄膜电极概况正在浸进电解液后依然晃动。锂离子从LiFePO₄脱出组成FePO₄，带隙削减为1.9eV。可是，FePO₄导带底部的能量依然逾越Li_xCoO₂，由于Co²⁺/Co³⁺的氧化复原回复电势比Fe²⁺/Fe³⁺更正。那抑制了正在锂嵌进/脱出历程中FePO₄概况空间电荷层隐现小大的电势修正。

图6.

电解液覆出后，正在锂离子嵌进/脱出时期，(a,c) LiCoO₂/电解量战(b,d) LiFePO₄/电解量界里电子挨算修正示诡计。(Φ_S战Φ_L分说是电极战电解液的外在电势）。为了简化，咱们假如里晨电解液的多晶LiCoO₂战LiFePO₄分说垂直于(001)战争止于(010)^[4]。

三、小结

荧光是质料钻研规模的一种实用工具，可能真现对于一系列系统中化教物量正在空间战时候上的跟踪，导致降降到总体份子级别。对于锂离子电池而止，荧光正在标志锂的扩散、探测过渡金属的露量圆里有赫然的贡献。充真操做好荧光的熏染感动，有利于科研职员减深对于锂离子电池的去世谙，斥天各圆里功能更劣的锂离子电池。

参考文献：

[1] Fluorescence Probing of Active Lithium Distribution for Lithium Metal Anode；doi:10.1002/anie.201900105.

[2] Total reflection X-ray fluorescence in the field of lithium ion batteries –Elemental detection in Lithium containing electrolytes using nanoliter droplets; doi: 10.1016/j.sab.2018.07.027.

[3] Unraveling transition metal dissolution of Li1.04Ni1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM 111) in lithium ion full cells by using the total reflection X-ray fluorescence technique; DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.08.099.

[4] Improved Cyclic Performance of Lithium-Ion Batteries: An Investigation of Cathode/Electrolyte Interface via In Situ TotalReflection Fluorescence X‑ray Absorption Spectroscopy; DOI: 10.1021/jp5011132.

本文由小乐教师供稿。

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