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能源儲存和轉(zhuǎn)換技術(shù)是當(dāng)今社會可持續(xù)發(fā)展的一種重要的技術(shù),由于電化學(xué)儲能系統(tǒng)具有各種優(yōu)勢,如污染少、循環(huán)效率高、壽命長以及成本低等,而備受關(guān)注。鋰離子電池儲能技術(shù)由于其能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。
在線電化學(xué)質(zhì)譜可以準(zhǔn)確定量鋰離子電池反應(yīng)過程中消耗和生成氣體的量,通過結(jié)合電池反應(yīng)時(shí)通過的電量Q,研究鋰離子電池的可逆主反應(yīng)和不可逆副反應(yīng);鋰離子電池發(fā)生副反應(yīng)時(shí)通常伴隨著氣體的產(chǎn)生,如 H2、CO、CO2 等,所以測定氣體種類和含量,并結(jié)合電量計(jì)算和同位素跟蹤,可以進(jìn)一步明確正、負(fù)極材料、電解液或SEI膜在鋰離子電池運(yùn)行中時(shí)的變化。
圖1 在線電化學(xué)質(zhì)譜的結(jié)構(gòu)示意圖
在線電化學(xué)質(zhì)譜系統(tǒng)主要包括三大部分:載氣傳輸調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電化學(xué)反應(yīng)裝置和質(zhì)譜儀。載氣首先由氣體鋼瓶進(jìn)入捕集阱,排除雜質(zhì)氣體(主要是 H2O 和CO2 等)對實(shí)驗(yàn)的干擾,然后進(jìn)入流量控制器。流量控制器對實(shí)驗(yàn)測定至關(guān)重要,流速太慢容易降低氣相產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移效率,流速太快使得電解液揮發(fā)加劇,所以用戶可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)體系的不同,對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。閥可以控制載氣的開關(guān)。鋰離子電池反應(yīng)裝置內(nèi)可形成螺旋梯度氣體流場,使得氣流更加穩(wěn)定,大大減小渦流情況的發(fā)生概率,也可提高氣體傳輸效率。冷阱和 Teflon 膜可除去樣氣中的有機(jī)電解液,保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。后,待測氣體進(jìn)入采樣毛細(xì)管進(jìn)樣組件,經(jīng)加熱恒溫后進(jìn)入在線質(zhì)譜儀中。電子轟擊型離子源(EI)可產(chǎn)生一定能量的電子,并在電離室中將待檢測化合物電離形成分子離子碎片及碎片離子,由質(zhì)量分析器篩選所需離子后按質(zhì)荷比大小依次抵達(dá)檢測器,信號經(jīng)過放大、記錄得到氣體變化趨勢圖。
圖2 鋰氧電池的MSCV圖
由上圖可見,在線電化學(xué)質(zhì)譜可測定鋰氧電池中反應(yīng)物O2和副產(chǎn)物CO2隨電極電位和時(shí)間的變化。在線電化學(xué)質(zhì)譜技術(shù)可同時(shí)確定每種產(chǎn)物的法拉第電流隨電極電位或時(shí)間的變化,通過時(shí)間軸向電勢軸變換而獲得質(zhì)譜伏安圖(Mass Spectrometric Voltammograms ,MSCV),結(jié)合電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)伏安,得到相關(guān)反應(yīng)機(jī)理和定量信息。
綜上所述,在線電化學(xué)質(zhì)譜作為一個(gè)非常重要的分析手段,可以對鋰離子電池系統(tǒng)儲能器件的安全性和性能研究起到至關(guān)重要的氣體進(jìn)行檢測,因此電化學(xué)在線質(zhì)譜技術(shù)對于深入研究鋰離子電池儲能器件中存在的重大科學(xué)問題和提高儲能器件的產(chǎn)品質(zhì)量方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)于舜宇恒平過程質(zhì)譜儀器
上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司自2009年推出過程質(zhì)譜儀以來,以多年的研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)力為基礎(chǔ),依托超過10年的市場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),針對生物、化工催化、新能源等領(lǐng)域的客戶需求,提供多樣化的在線質(zhì)譜解決方案。
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