《AEM》：非水锂-空气电池放电化学成分的原位红外微纳光谱研究

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金属-空气电池，如锂空气，可能是大规模储能的关键，因为它们在所有电化学设备中具有最高的能量密度。然而，这些设备避免了导致电池失效的不可逆副反应，特别是当环境空气被用作氧气源时，因此对表面化学演变的深入了解对于制造更好的设备是必不可少的。

来自坎皮纳斯大学的学者首次利用同步红外纳米光谱仪(SINS)对电池放电过程中电极表面进行了多尺度(纳米-微观)FTIR分析，以跟踪纳米尺度上的化学成分变化，并成功地与运行的显微FTIR表征相关联。现场测试结果表明，产物从纳米级到微米级分布均匀，放电率不影响化学成分。在Operando中，显微傅立叶变换红外光谱(MicroFTIR)显示了大气对Li产物形成的依赖性，在水、LiOH和Li2CO3中还检测到CO2电还原产生的HCOO-颗粒的存在，甚至最低浓度的CO2和H2O都会影响O2反应。最后，电池放电140秒后，Li2O2与DMSO反应生成DMSO2的证据表明，这项新技术在帮助寻找稳定的电解质方面具有重要意义。

相关文章以“In Situ Infrared Micro and Nanospectroscopy for Discharge Chemical Composition Investigation of Non-Aqueous Lithium–Air Cells”标题发表在Advanced Energy Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202101884

图1.a)区域1的捷联惯导相位谱(AFM地形图插图中的开放蓝色圆圈)和b)用显微FTIR技术获得的FTIR。

图2.a)放大倍数为4倍的分析区域，b)放大25倍的显微照片，以及c、d)电池放电时间的红外光谱。

图3.a)纯锂暴露在大气中之前(t=0)和之后的图像(t=1200s)，b)锂暴露时间的红外光谱，c，d)来自分析波数范围的2D变焦图像。

本文利用显微傅里叶变换红外光谱和捷联惯导光谱研究了锂-空气电池放电过程中的微米和纳米尺度的红外振动特征。首先，本文介绍了一种新的电池设计，采用适合于开放式电池的碳基阴极。使用相同的电池进行操纵杆测试，两种技术都提供了有关放电产物的形成和电解质降解的有价值的信息。结果强调了三相对放电反应发生的重要性，即使在阴极表面不均匀的情况下，尽管放电速率不同，微米和纳米级的分析检测到的放电产物是相同的。通过微观FTIR表征，对该体系在放电状态下的性能进行了研究。结果表明，在恒流控制下，锂的氧化反应发生在140s的放电过程中，包括过氧化锂、碳酸盐、氢氧化物和甲酸盐。基于这些发现，本文指出了多尺度FTIR技术的适用性，并强调了高时间分辨率和高灵敏度，这使得本文所报道的方法成为研究转换电池中典型的复杂放电过程的重要工具，就像这里研究的锂-空气一样。（文：SSC）

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