Nature子刊：原位拉曼光谱用于电解质演化捕捉

在目前的电池研究工作中迫切需要改进的分析工具来识别锂离子电池的退化和失效机制。然而，了解并最终避免这些有害机制需要持续跟踪不同电池组件中的复杂电化学过程。为了达到这样的目的，剑桥大学Tijmen G. Euser教授团队报导了一种原位光谱方法，该方法能够在具有石墨阳极和LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2阴极的锂离子电池的电化学循环过程中监测碳酸盐基液体电解质的化学性质。通过在实验室级别的软包电池内嵌入空心光纤探针，我们通过无背景拉曼光谱证明了液体电解质物质的演化。光谱测量的分析揭示了碳酸盐溶剂和电解质添加剂的比例随电池电压的变化，并在跟踪锂离子溶剂化动力学方面表现出极大的潜力。原位电解质监测可以促进研究复杂的化学途径和实际电池中化学物质之间的串扰现象。一个关键的例子是在没有初始碳酸亚乙烯酯（VC）的样品中出现了亚乙烯基拉曼谱带，这表明虽然亚乙烯基物质在阳极被消耗，但它们也在循环过程中通过碳酸亚乙酯（EC）氧化产生。本工作所提出的操作方法有助于更好地理解当前锂离子电池的局限性，并为研究不同电化学储能系统中的降解机制拓展了前景。

原位拉曼如何表征电解质演化过程

测试装置：

图1. 具有空心光纤耦合拉曼分析设备的锂离子软包电池

在拉曼装置中（图 1a），10-15 厘米长的空芯光纤的近端被封装在一个定制的微流体单元中，允许光线和流体进入光纤（图 1b, c）。纤维的远端安装并密封在软包电池的电极之间。使用两层单层PE聚合物隔膜（MTI）来避免纤维和电极之间的直接接触（图1d）。简化的空芯光纤（图 1c）经过优化，可在充满电解质时引导拉曼泵浦光和信号波长范围内的光。光纤的 36 µm 宽纤芯区域既可用作波导通道，又可用作微流体通道，其内部体积低至 30 nL/cm。自动注射泵用于根据需要从软包电池中取样和注入电解液。

使用底部填充的 10x 0.3 NA 显微镜物镜将拉曼泵浦激光（785 nm 连续波，图 1a）发射到填充电解质的光纤芯中。拉曼信号沿光纤的长度产生，一部分以反向传播的光纤模式被捕获，并被引导回邻近的光纤端面。产生的拉曼光的 CCD 图像（图 1c 中的右侧图像）显示大部分拉曼光是在中空光纤芯内产生和引导的。每次光学测量后，电解质样品被注入回软包电池中。由于需要避免任何电池扰动，需要 22 分钟的单次采样间隔（在 C/10 C 速率下大约是完全放电时间的 4%）。定期重复采样以达到在较长时间内监测电解质的目的（典型的充电-放电形成周期需要超过 10 小时）。

测试结果分析：

图2. 空心光纤中的在线拉曼测量。(a) 从光纤端面发出的拉曼光（左，图像比例尺为 50 µm）和光谱色散图像（右）; (b) 在连续样品渗透期间跟踪的拉曼光谱。红色虚线表示泵何时开启；t1-a表示样品流体到达纤芯的时间。 白色虚线表示泵何时关闭，然后是样品注射器的开关。水平实线表示获取 c 中所示光谱的时间; (c) 得到不同溶剂混合物的光谱。与电池化学相关的突出显示的拉曼谱带是 893 cm-1处的碳酸亚乙酯呼吸模式（深红色虚线）、740 cm-1处的 PF6 阴离子模式（绿色虚线）和以 1628 cm-1为中心的碳酸亚乙烯酯 -HC = CH- 谱带（不存在于这些溶液和光谱中）。阴影区域表示与锂溶剂化机制相关的 1700-1850 cm-1处的 EC 和 EMC 带, 插图 i 展示了由 IPA 的拉曼强度（819 cm-1）监测的样品交换时间和 EMC 骨架（~900 cm-1）模式（c中的箭头）。插图 ii 显示了 1700-1850 cm-1处的 EC 和 EMC 波段。

纤维芯内的动态交换和拉曼光谱首先在没有软包电池的情况下针对一系列电解质成分和典型溶剂进行了非原位测试（图 2）。光谱仪 CCD 记录近端面图像和光谱分散的光纤图像（图 2a）。在整个实验过程中，以每个光谱 20 秒的积分时间连续记录光谱。为了能够同时监测多个拉曼波段，我们在光谱范围、分辨率和信号强度之间进行了最佳权衡（图 2b）。最初，纤维填充有异丙醇 (IPA)，其拉曼光谱如图 2b-c 所示。更换注射器以交换样品，泵流速设置为 5 µL/min (0.083 µL/s) 以渗入纤维芯。一旦拉曼信号稳定，注射泵就会关闭。 样品交换后系统的流体稳定时间目前约为 400 秒（对应于约 33 µL 的流量，图 2c）。此处依次渗透到纤维中的样品是 IPA、碳酸甲乙酯 (EMC)、碳酸亚乙酯 (EC) 和 EMC 的 3:7 混合物，以及商用电池级液体电解质溶液 LP57（即 EC 中的 1.0 M LiPF：EMC 3:7 v/v）。对于每个样品，在 410 和 2182 cm-1 之间获取相对宽带的拉曼光谱（图 2c）。

拉曼光谱清晰显示了各种电解质成分特征。 首先，在 LP57 电解质中可以清楚地看到 PF6- 阴离子拉曼谱带在 740 cm-1 处的光谱位置。PF6- 峰在 ~720 cm-1 处与 EC 骨架模式部分重叠。检测 PF6- 很有意义，因为它的分解是基于一种发生在 NMC811 等富镍正极的表面的降解机制。此外，PF6- 很容易与电解质分解反应中产生的水发生反应。 其次，893 cm-1 处的 EC 呼吸模式与分子的环结构完整性有关。最后，1700-1850 cm-1 之间的阴影（宽紫色）带对应于 EMC 和 EC/VC 中羰基（C = O）键的拉曼峰，其光谱位置随锂离子溶剂化动力学而变化。此外，还标记了（弱）光谱带在 1628 cm-1（灰色虚线）处的预期位置，这是由于亚乙烯基 –HC = CH 添加剂 VC 的振动。因此，通过在装置中使用低密度衍射光栅，我们可以同时监测许多重要的电解质成分。

图3. 循环过程中的电池电解质拉曼光谱演变。(a) 在 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NMC811) - 石墨锂离子软包电池的形成周期期间操作拉曼光谱，其电解质包含 LP57 + 2 wt.% VC。将电池恒流充电至 4.3 V，恒电位保持在 4.3 V，然后放电; (b) 拉曼光谱演化显示电池电解质的一系列拉曼模式

中空纤维嵌入由 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NMC811) 阴极和石墨阳极组成的软包电池中，以监测其在循环期间电解质的化学变化。每个圆形电极的有效面积为 1.54 cm2（直径 14 mm），并被一层聚合物隔膜覆盖。HC 纤维放置在两个分隔层之间，以保护电极表面免受纤维的机械损伤（图 1d）。将电池密封并填充 100 µL LP57，并添加 2 wt.% VC。尽管 HC 纤维在两个隔膜之间产生了微小的间距，但总电极表面与电解质的体积比 (~15 cm2/mL) 仍然非常接近于研究环境中常规组装的软包电池。

将电池恒流充电至 4.3 V，在 4.3 V 下恒电位保持 1 小时，最后以 C/10 (18.5 mA g-1NMC) 的循环速率放电至 3.5 V。为确保在纤维芯中进行完全的样品交换，每 22 分钟从电池中提取 24 µL 体积的微量样品（大约是内部纤维体积的 50 倍），通过纤维内拉曼光谱进行分析，然后重新注入软包电池。我们从EC分子从正极到负极的穿过隔膜的扩散时间（td）来监测电极过程。假设聚合物隔膜的曲折度为 2.5，液体扩散系数为 10-6 cm2/s，这导致分子从一个电极到另一个电极的扩散时间为 td = 445 s（~7 分钟）。与之前的实验一样，我们使用宽光谱窗口（640-2340 cm-1，粗光栅）同时跟踪一系列化学物质。

在第一个电化学循环期间，拉曼光谱的演变被测量为电池电压（红色曲线）的函数，在此期间预计会由于 EEI 形成而发生许多化学变化（图 3a）。在 PF6-、EC 呼吸模式和 EMC 和 EC/VC 中的羰基 (C = O) 键的谱线中观察到清晰的特征，如图 2b 所示。此外，在~1628 cm-1 处检测到（弱）亚乙烯基-HC = CH-拉曼谱带。在整个循环过程中收集完整的拉曼光谱可以对电解质盐和溶剂及其相互作用进行详细分析。

总结：

循环过程中碳酸酯溶剂的C=O拉伸模式相关的拉曼光谱变化，以及亚乙烯基-(C=C)双键浓度的变化等信号都可以由原位拉曼装置检测得到。对这些信号的获取和分析有助于研究电解质中的溶剂和盐成分在电池循环中的变化，揭示电池性能降解的机理，对开发长寿命的电池系统具有非常重要的意义。

参考文献：

Ermanno Miele et al. Hollow-core optical fibre sensors for operando Raman spectroscopy investigation of Li-ion battery liquid electrolytes. Nat. Commun. 2022.

DOI: 10.1038/s41467-022-29330-4