《AEM》：非水鋰-空氣電池放電化學成分的原位紅外微納光譜研究

金屬-空氣電池，如鋰空氣，可能是大規模儲能的關鍵，因為它們在所有電化學裝置中具有最高的能量密度。然而，這些裝置避免了導致電池失效的不可逆副反應，特別是當環境空氣被用作氧氣源時，因此對錶面化學演變的深入瞭解對於製造更好的裝置是必不可少的。

來自坎皮納斯大學的學者首次利用同步紅外奈米光譜儀(SINS)對電池放電過程中電極表面進行了多尺度(奈米-微觀)FTIR分析，以跟蹤奈米尺度上的化學成分變化，併成功地與執行的顯微FTIR表徵相關聯。現場測試結果表明，產物從奈米級到微米級分佈均勻，放電率不影響化學成分。在Operando中，顯微傅立葉變換紅外光譜(MicroFTIR)顯示了大氣對Li產物形成的依賴性，在水、LiOH和Li2CO3中還檢測到CO2電還原產生的HCOO-顆粒的存在，甚至最低濃度的CO2和H2O都會影響O2反應。最後，電池放電140秒後，Li2O2與DMSO反應生成DMSO2的證據表明，這項新技術在幫助尋找穩定的電解質方面具有重要意義。

相關文章以“In Situ Infrared Micro and Nanospectroscopy for Discharge Chemical Composition Investigation of Non-Aqueous Lithium–Air Cells”標題發表在Advanced Energy Materials。

論文連結：

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

圖1.a)區域1的捷聯慣導相位譜(AFM地形圖插圖中的開放藍色圓圈)和b)用顯微FTIR技術獲得的FTIR。

圖2.a)放大倍數為4倍的分析區域，b)放大25倍的顯微照片，以及c、d)電池放電時間的紅外光譜。

圖3.a)純鋰暴露在大氣中之前(t=0)和之後的影象(t=1200s)，b)鋰暴露時間的紅外光譜，c，d)來自分析波數範圍的2D變焦影象。

本文利用顯微傅立葉變換紅外光譜和捷聯慣導光譜研究了鋰-空氣電池放電過程中的微米和奈米尺度的紅外振動特徵。首先，本文介紹了一種新的電池設計，採用適合於開放式電池的碳基陰極。使用相同的電池進行操縱桿測試，兩種技術都提供了有關放電產物的形成和電解質降解的有價值的資訊。結果強調了三相對放電反應發生的重要性，即使在陰極表面不均勻的情況下，儘管放電速率不同，微米和奈米級的分析檢測到的放電產物是相同的。透過微觀FTIR表徵，對該體系在放電狀態下的效能進行了研究。結果表明，在恆流控制下，鋰的氧化反應發生在140s的放電過程中，包括過氧化鋰、碳酸鹽、氫氧化物和甲酸鹽。基於這些發現，本文指出了多尺度FTIR技術的適用性，並強調了高時間解析度和高靈敏度，這使得本文所報道的方法成為研究轉換電池中典型的複雜放電過程的重要工具，就像這裡研究的鋰-空氣一樣。（文：SSC）

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