作者：RenataLewandowska,MiyokoOkada,TomokoNumata

翻譯：文軍

鋰離子電池成就的奇跡

談起新能源汽車,，就不得不說美國的“特斯拉汽車公司”,，目前其打造的純電動車采用為先進(jìn)的鋰離子能量存儲,，理論上48萬公里行駛后電池衰減比例僅有5%,。而其所配備的能量再生制動系統(tǒng)則可在車子減速時為鋰離子電池組充電,，使得車子在行走途中就可獲得能量的補(bǔ)給,。

特斯拉MODEL 3

可以說鋰電池技術(shù)的發(fā)展不僅將特斯拉的新能源汽車變成了現(xiàn)實(shí),，創(chuàng)造了奇跡，更成就了特斯拉汽車公司CEO埃隆·馬斯克成為繼喬布斯外第二個科技狂人,。

2017年5月9日,，《時代》雜志發(fā)布了2017年“科技領(lǐng)域zui有影響的20人”榜單，埃隆·馬斯克上榜,。

隨著對動力需求的不斷增長和日趨復(fù)雜化,，如何提高鋰離子電池的性能始終是鋰電池領(lǐng)域各廠家致力于突破的一個非常重要的課題。

令人欣喜的是,，激光拉曼光譜技術(shù)被越來越多的研究人員用于該領(lǐng)域的探索和突破,。這種非接觸的快速分析技術(shù)，能夠直接分析材料中的結(jié)構(gòu)變化,，而不對材料產(chǎn)生影響,。拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)被用作鋰電池在充放電循環(huán)過程中的實(shí)時的原位分析，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)分析,，包括材料結(jié)構(gòu)和電子屬性,、耐久性,，以及自動質(zhì)量控制測試等。此外,，的研究還表明：拉曼光譜可以用于研究這些電池生命周期的各個階段,，諸如復(fù)雜體系中的新材料的表征、故障分析等,。因篇幅有限,，今天，本文重點(diǎn)為您揭示顯微拉曼光譜在鋰電池充放電過程中對正材料和負(fù)材料是如何進(jìn)行分析的,。

▎如何分析?

鋰離子電池充放電過程中,，鋰離子經(jīng)由電解液在兩電之間穿梭，會帶來兩個電材料的結(jié)構(gòu)變化,。理想狀態(tài)之下，這些變化都是可逆的,。但是在實(shí)際情況中,，充放電過程會給電池的正負(fù)電造成某些不可逆轉(zhuǎn)的變化。那么它們的變化是怎樣的,？讓我們通過拉曼光譜的“正分析”與“負(fù)分析”一窺究竟吧,。

01 正分析

鋰離子電池zui常用的正材料是層狀的鋰鈷氧（LiCoO₂，LCO）材料,。在充放電過程中,，鋰離子在層狀的氧化鈷八面體結(jié)構(gòu)中重復(fù)地進(jìn)行著插入—脫出過程。研究表明,，電池過放電會導(dǎo)致氧化鈷層的不可逆轉(zhuǎn)的分解,，成為氧化鈷(CoO)和氧化鋰(Li₂O)；而電池過充電則會導(dǎo)致LiCoO₂轉(zhuǎn)變成二氧化鈷（CoO₂）,。所有這些變化都可以利用拉曼光譜進(jìn)行觀察,。

如下圖1所示，拉曼光譜特征峰（橙色）屬于鋰鈷氧正,，而拉曼光譜譜線（紅色）顯示出了屬于二氧化鈷（CoO₂）的特征峰,。

圖1.正材料中有無CoO₂的光譜區(qū)別.

下圖2是經(jīng)歷了一次充放電循環(huán)過程后，正材料的拉曼成像結(jié)果,，拉曼成像清楚顯示出了二氧化鈷（CoO₂）的存在,，佐證了電池發(fā)生過充。

圖2. 經(jīng)歷了一次充放電循環(huán)過程后的鋰鈷氧正材料的拉曼成像

藍(lán)色對應(yīng)非晶態(tài)碳,，橙色對應(yīng)鋰鈷氧,，紅色點(diǎn)對應(yīng)不同濃度二氧化鈷

除了上述佐證正材料過充現(xiàn)象的存在，研究人員還利用拉曼光譜去尋找和研究新的正材料,，比如不同種類的鋰-過渡金屬混合氧化物,，如Li(Ni, Mn, Co)O₂,，LiMn₂O₄，這是目前研究的熱點(diǎn)材料,。這些材料各自具有不同的拉曼光譜特征峰,，如下圖3所示，拉曼光譜可為新型電材料研究提供,。

圖3. LiCoO2,、Li(Ni, Mn, Co)O2，LiMn2O4,，Li2TiO3的拉曼光譜圖

02 負(fù)分析

鋰離子電池zui常用的負(fù)材料是石墨,，經(jīng)過反復(fù)充放電循環(huán)以后，石墨電會發(fā)生退化,。在石墨的拉曼光譜中,，D峰和G峰的相對強(qiáng)度I_D/I_G比值與石墨電結(jié)構(gòu)的損壞有著密切的關(guān)系。隨著石墨電結(jié)構(gòu)的退化,，D峰的強(qiáng)度不斷增加,。

在下圖4中我們可以看出相對強(qiáng)度的變化。圖5的拉曼成像中,，可以清楚地看到石墨電結(jié)構(gòu)的變化,。

圖4. 具有不同相對比值ID/IG的石墨正材料的拉曼光譜

圖5. 石墨負(fù)經(jīng)歷一個充放電循環(huán)之后的拉曼成像：藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)于缺陷較少的石墨，深藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)于缺陷較多的石墨,，橙色區(qū)域?qū)?yīng)于樹脂粘結(jié)劑,。

▎總結(jié)和展望

由于拉曼光譜能夠應(yīng)對鋰離子電池各類研發(fā)的需求，并滿足在線自動質(zhì)量控制的要求,，因而借助拉曼光譜的探索,，鋰離子電池必將能夠發(fā)揮出更大的“能量”。

如果您對本文案例感興趣,，歡迎您手機(jī)識別下方二維碼索取詳細(xì)文章,。 在下一篇文章中，我們將為您介紹拉曼光譜在鋰電池充放電過程中對電解液如何進(jìn)行分析,，帶您了解該項技術(shù)的其他應(yīng)用,，歡迎您的關(guān)注。

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zui后,，小編歡迎您留言說說看,，您身邊的鋰電池應(yīng)用都有哪些？特斯拉你已經(jīng)開起來了嗎,？

▎延伸閱讀

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