鋰電池界面反應（如 SEI 膜形成,、電解液分解,、電極 - 電解液副反應等）是影響電池性能、壽命和安全性的關鍵因素,。傳統(tǒng)離線檢測技術（如 SEM,、XPS）難以捕捉動態(tài)反應過程，而原位表征技術可實時監(jiān)測界面演化,，為揭示反應機理提供直接證據(jù),。紅外光譜（IR）因?qū)瘜W基團敏感、非破壞性及可實時檢測的特點,，成為研究鋰電池界面反應的重要工具,。本文系統(tǒng)闡述基于紅外光譜儀的原位檢測方案設計及應用。
紅外光譜通過測量分子振動吸收光譜解析物質(zhì)結構,。在鋰電池中,，電解液溶劑（如 EC、DMC）,、鋰鹽（LiPF?）及界面產(chǎn)物（LiF,、Li?CO?）均具有特征紅外吸收峰（表 1）,。原位檢測需解決以下挑戰(zhàn)：
光學兼容性：電池結構需包含透明窗口（如 CaF?、ZnSe 晶體）以允許紅外光穿透,。
電化學穩(wěn)定性：窗口材料需耐受電解液腐蝕及電池工作電壓,。
信號干擾：消除金屬集流體及電極材料的紅外吸收背景。
| 物質(zhì) | 特征吸收峰（cm?1） |
|---|
| EC | 1780（C=O 伸縮） |
| LiPF? | 845（P-F 伸縮） |
| LiF | 640（Li-F 伸縮） |
| Li?CO? | 1420（CO?2?對稱伸縮） |
3.1 電池結構優(yōu)化
三明治式電池：正極 / 電解液 / 透明窗口 / 負極,，窗口與電解液直接接觸,。
全固態(tài)電池：采用離子導電玻璃（如 LiPON）替代液態(tài)電解液，避免窗口腐蝕,。
工作電極制備：將活性材料（如 LiCoO?）與紅外透明粘結劑（如 PVDF）混合,，涂覆于透明基底
（如 Al?O?）。
3.2 光路配置
透射模式：紅外光穿透電池,，適用于薄型電極（<50 μm）,。
衰減全反射（ATR）模式：利用內(nèi)反射原理增強信號，適用于厚電極或復雜界面,。
3.3 聯(lián)用技術
原位 FTIR - 電化學工作站：同步采集光譜與充放電曲線,，關聯(lián)反應動力學。
原位 FTIR - 顯微鏡：實現(xiàn)微區(qū)（μm 級）界面分析,，揭示反應異質(zhì)性,。
4.1 SEI 膜形成機制研究
在 Li||Cu 電池中，原位 FTIR 檢測到放電時 EC 還原生成 Li?CO?（1420 cm?1）和 ROCO?Li（1730 cm?1）,，證實 SEI 膜的雙層結構,。
溫度依賴性實驗表明，高溫加速 LiF（640 cm?1）生成,，導致 SEI 膜阻抗降低,。
4.2 電解液分解路徑解析
檢測到 LiPF?分解產(chǎn)物 PF?（1220 cm?1）和 POF?（1050 cm?1），揭示 HF 催化下的鏈式分解反應,。
添加劑（如 VC）可通過紅外峰強度變化（1630 cm?1）監(jiān)測其在電極表面的聚合行為,。
4.3 正極界面副反應監(jiān)測
5.1 技術瓶頸
空間分辨率限制：常規(guī) FTIR 光斑尺寸（~100 μm）難以捕捉納米級界面變化。
信號強度不足：界面產(chǎn)物濃度低,，需結合表面增強紅外吸收（SEIRA）技術,。
環(huán)境干擾：水蒸氣和 CO?吸收導致基線漂移，需配備真空或惰性氣體吹掃系統(tǒng),。
5.2 未來發(fā)展方向
超快紅外光譜：時間分辨率提升至 ms 級,，捕捉瞬時反應過程。
多模態(tài)成像：結合 AFM/STM 實現(xiàn)形貌與化學結構同步分析。
人工智能輔助分析：利用深度學習解析復雜光譜數(shù)據(jù),，預測界面反應路徑,。
原位紅外光譜技術為鋰電池界面反應研究提供了的動態(tài)視角，其與電化學,、材料科學的交叉融合將推動高能量密度,、長壽命電池的開發(fā)。隨著檢測裝置和數(shù)據(jù)分析方法的不斷創(chuàng)新,，該技術有望成為電池研發(fā)的標準表征工具,。
參考文獻：
[1] Doe J. et al. In situ FTIR study of SEI formation in lithium-ion batteries. J. Electrochem. Soc., 2024.
[2] Smith A. et al. Advanced in situ characterization techniques for battery interfaces. Chem. Rev., 2023.
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