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电镜、光谱与锂电池的研究发展
2019年10月9号下午，诺贝尔化学奖授予了对锂电池的发明做出杰出贡献的三位科学家，分别是：约翰·B·古迪纳夫（ John B. Goodenough）、M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino）。拉曼光谱能够深度解析锂电池材料的表征，助力锂电池行业应用的研究。
赛默飞超快速成像拉曼光谱仪
能够为锂电池行业提供全面的解决方案
赛默飞拉曼光谱仪
在正负和负极材料表征的应用案例
锂离子电池开发新的正负极材料一直是非常活跃的研究领域，赛默飞DXR2 系列超快速成像拉曼光谱仪在正极材料研究中可以从分子结构的角度给不同条件下的络合提供化学信息，同时也为复合负极材料分布以及石墨烯生长分布提供了超快速成像功能。
▲DXR2系列显微拉曼光谱仪分析不同物相的LiNi0.5Mn1.5O4
▲DXR2系列显微拉曼光谱仪表明不同的反应条件如何生成不同的物相
▲石墨和单层石墨烯的2D峰和G峰的比较
▲通过OMNIC 软件的分峰拟合功能对不同的石墨烯样品进行准确的的层数表征
▲利用DXR2系列显微拉曼光谱仪和Thermo Scientific™ OMNIC™ Atl_s 拉曼成像软件快速表征整片石墨烯中每个区域的层数
赛默飞拉曼光谱仪
在锂电原位和非原位检测中的应用案例
DXR2系列显微拉曼成像光谱仪为研究固体电解质界面（SEI）膜提供一个快速，高分辨率高灵敏度的理想表征工具。它可以提供原位或者非原位的检测，能为过程研究提供更多更全面的化学信息。
▲非原位池中锂电池负极横切面拉曼成像光谱图
▲DXR2系列显微拉曼成像光谱仪原位表征负极在充电过程中的化学变化，并且通过3D 图像方式，引入时间维度，清楚准确显示了负极材料在500 分钟的充电时间中的拉曼振动峰位移过程 （左下角为3D 成像图）
▲在充电循环过程快结束时（第496 分钟），其电势值小于0.15V，拉曼光谱在154 cm-1 处出现了一个较强的振动峰。而这是之前在非原位分析中从未观察到的谱峰位移
赛默飞DXR2系列拉曼光谱仪性能及亮点
仪器的模块化设计保证了最稳定耐用的性能
专利的自动准直技术无需任何手动调节
智能精确锁定技术确保高重复性结果
专利的激光功率精细调节技术是石墨材料的最佳表征工具
可提供针对不同激光波长优化的低波数测量
Thermo Scientific™ OMNIC™ 软件功能强大，界面简单直观，以结果为核心，无需花费时间学习仪器调节和程序操作
OMNIC Atlus 软件能提供快速成像分析，帮助直观有效快速分析不同晶型和相态
提供不同规格的光学组件和灵活多样采样技术，适合不同规格不同形态的样品测试，更有高通量采样板为繁忙的常规分析工作提高效率
▲Thermo Scientific™ DXR™2xi
超快速成像显微拉曼光谱仪
在20世纪70年代后期，一支由全球各国科学家组成的团队开始研发锂离子电池，一种最终可为便携式电子设备，电动汽车和移动电话等设备供电的充电电池。
今年，诺贝尔化学奖授予了三位科学家，John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham以及 Akira Yoshino，以表彰他们在该电池开发方面所做出的贡献。
根据诺贝尔奖官方组织的说法，“这种重量轻，可充电的电池正在广泛应用于手机，笔记本电脑和电动汽车各领域。它还可以用于储存大量来自太阳能和风能的能量，使无化石燃料的社会成为可能。”
锂离子电池的历史
在二十世纪七十年代的石油危机时期，当时在埃克森美孚（ExxonMobil）工作的英国化学家Stanley Whittingham开始研发一种新型电池，这种电池可以在很短的时间内充电，并可能使人们在未来不再依赖于化石能源。
Whittingham的电池构造。
© Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院
在Whittingham的首次尝试中，他使用二硫化钛和锂金属作为电极来组装电池，但这种电极组合在实际应用中面临着一些技术挑战，比如严重的安全隐患。在看到电池短路着火后，埃克森美孚决定停止实验。
然而，目前在德克萨斯大学奥斯汀分校担任教授的John B. Goodenough有了其它的想法。上世纪80年代初，他尝试使用钴酸锂代替二硫化钛作为阴极，并由此取得了成功: 电池的供电电压增加了一倍。
Goodenough的电池构造。
© Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院
五年后，日本名古屋名城大学的Akira Yoshino对锂电池电极组合进行了进一步的优化。他没有使用活性锂金属作为阳极，而是尝试使用一种碳质材料——石油焦。这次改进带来了革命性的发现：新型电池在没有使用锂金属做电极的情况下明显更安全，性能更稳定，因此第一代锂离子电池原型就这样产生了。
Yoshino的电池构造。
© Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院
利用电子显微镜和光谱学手段打造更好的电池
尽管锂离子电池市场继续以两位数的速度增长，但在开发更安全、更耐用、能量密度更高的电池方面仍具有挑战。为了帮助这项研究，很多科学家利用各种分析技术来研究电池组件在其生命周期的不同阶段的表现。
利用 microCT和电子显微镜等成像技术，科学家可以创建2D和3D图像，实现对电池的多尺度观察。通过从图像中提取的微观结构信息，科学家们可以更深入的理解电池材料。
为了研究电池材料在结构，化学成分以及缺陷形成方面的演变，科学家们借助于如拉曼光谱、核磁共振、x射线衍射和质谱法等光谱学手段对电池进行表征。通过使用这些技术，研究人员可以在电池循环时原位分析电极材料，并提非原位情况下不容易观察到的信息。
不断追求寿命更长、能量密度更高的电池
全球各地的大学和企业都在继续探索如何制造更安全、能量密度更高、使用寿命更长、甚至是在恶劣天气条件下也能正常工作的电池。
例如，加州大学圣地亚哥分校的研究人员试图通过在阳极上添加硅来提高锂离子电池的能量密度。目前锂离子电池的极限温度是-4° F，他们还在开发一种可以在-76° F的低温环境下工作的电池。
锂离子电池已经彻底改变了人们的现代生活。正如Whittingham在最近的会议上所说，“锂电池几乎影响着世界上每个人的生活。”如今Whittingham仍在从事电池研究，我们很期待看到如何通过此次诺贝尔奖的获得推动该行业向前发展。
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