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使用拉曼光譜進行可充電電池診斷
使用拉曼光譜進行可充電電池診斷
普渡大學化學工程學院和材料工程學院(School of Chemical Engineering & School of Materials Engineering, Purdue University) Vilas Pol 博士的 ViPER 小組實驗室致力於將不需要的物品轉化為下一代電池的材料，並廣泛使用拉曼光譜於該新型碳材料的鑑定。
這項工作的重點是尋找用於可充電電池的鋰替代材料，該團隊正在研究的材料包括鈉離子、鉀離子和硫化鋰材料。電池是一個非常複雜的系統，Pol 博士向我們展示了拉曼光譜提供了電池材料分子結構方面的指紋。 “拉曼光譜為材料是否是純的提供了有力的證據。” Pol 博士的實驗室使用 Thermo Scientific DXR 拉曼光譜儀來進行實驗，並讚歎Thermo Scientific DXR 拉曼光譜儀的便利及快捷。他們的拉曼光譜儀還配備了一個溫度控制的平台，該團隊使用該平台加熱樣品並在加熱過程中進行拉曼測量。
下列為Vilas Pol 博士使用拉曼光譜研究碳材料的四個具體例子，包括使用原位加熱載台來監測升級再造花生(upcycled packing peanuts)變成電池陽極材料的特性。
例子 1 - 設計 3D 碳陽極
Pol 的第一個例子是在原位加熱過程中研究的澱粉基前體(precursor)。 “這個過程的美妙之處在於，你可以根據加熱的速度來調整材料本身的多孔性。”通過加熱速率可以實現10-15微米的微米級孔隙，如果緩慢加熱，大部分孔隙會保持關閉狀態。
例子 2 - 升級循環包裝花生
在 Pol 的第二個例子中，他描述如何使用包裝花生製成電池材料。 “我們用兩種材料製造碳質材料”（膨脹聚苯乙烯基和澱粉基），“但我只會給出與之前使用澱粉的研究類似的澱粉基示例。在這裡我們得到了一種獨特的結構，sheet-like carbon，這種類片狀的碳是鈉離子電池應用的一種非常好的電子材料。”
圖1. 從廢棄物到寶物的過程
該材料經過熱處理以保持 sp2 和 sp3 碳鍵的特定混合物，這在鈉離子在基體中來回穿梭產生的最終微觀結構中起著關鍵作用。一旦對材料進行熱處理，就會獲得高度多孔的碳結構。 “它是一種高純度碳，如拉曼光譜所示”，“而且這種材料已經可以使用了。”
透過拉曼光譜儀和掃描電子顯微鏡，研究小組發現該材料就像碳微片 (CMS) 的三維矩陣。通過在熱處理過程中調節溫度，可以調整材料的電化學性能。 “這可以使電池更安全。”
例子 3 - 用於鋰離子電池的新型碳球
在 Pol 的第三個示例中，通過拉曼光譜研究了熱解溫度對這些材料的碳形態以及由此產生的電池性能的影響。在這個實驗中，材料被加熱到極高的溫度- 600、900、1500 和 1800 攝氏度。隨著材料的熱處理，材料的表面積下降。
圖2. 碳球的拉曼圖譜
例子 4 - 應用於摩擦學的碳材料
在他的第四個例子中，Pol 博士詳細介紹了碳球與硫化鉬添加劑在摩擦學應用中的作用。硫化鉬奈米塗層具有相當優異的摩擦學性能。
圖3. MOS2奈米塗層及其摩擦學的表現
