原位拉曼分析鋰離子電池

實驗結果-拉曼化學影像顯示石墨鋰化過程的結構變化

拉曼化學影像是影像中每個像素均是完整的拉曼光譜的高光譜數據組，使用不同的光譜處理技術，這種高光譜拉曼數據產生對照出特定化學特性的影像，正是這種能力可視化了採樣區域內的微小差異。經過收集一系列拉曼化學影像，我們現在有能力監測空間和時間的變化。如同前面提到，各種化學影像都可以從每個數據組創建，顯示了採樣區域內的改變；或者，可以將每個數據組中拉曼光譜數據平均，以產生每個時間切面的單一光譜。在這種模式下，拉曼成像數據組可均質化任何電極面積的差異，這個平均光譜所代表的單點測量，與一般典型的1 μm樣品面積相比，代表了30 μm平方面積。.

圖3：從延時高光譜拉曼數據呈現的不同視圖提供了豐富的實驗資料

圖4：在石墨鋰化實驗中，來自不同時間切面的拉曼影像

在圖3中，3D視圖（左下角）顯示了超過 8.3小時（1–500 分鐘）時間函數的拉曼光譜改變，在此期間電池僅處於充電（鋰化）過程，這部分的電化學循環如圖 3 右下角所示。
石墨的光譜在1580 cm-1 峰來自於 E2g2 模式（G band）。在0.42 和 0.31 V 之間的電位（比電荷33和45 mAh/g)，1580 cm^-1峰逐漸消失伴隨著同時出現一個以1590 cm^-1為中心的峰，這種峰位移歸因於鋰離子嵌入進石墨結構。這在二維拉曼影像的中心更容易看到，顯示了改變前後的拉曼光譜。
在 8.3 小時 （496分鐘） 的充電週期結束時，其中電壓小於 0.15 V （比電荷大於 146 mAh/g)，154 cm^-1強拉曼峰開始出現。這個拉曼峰先前沒有被報導過，因此還無法斷定其結果，該波數的強拉曼峰可能來自於二氧化鈦(TiO2)、銻(Sb)和金屬氯化物(metal chlorides)。
圖3中顯示的影像類型是“以光譜為中心的”因為它們顯示了不同時間所量測的拉曼光譜變化。圖4顯示了相同拉曼成像數據組的另一種“以影像為中心”的觀點，在這裡，我們對拉曼光譜本身不那麼感興趣，而是將其作為增強影像差異（圖像對比度）的工具。
在圖4中，拉曼化學影像其中對比度由多元曲線解析(Multivariate curve resolution, MCR)分析產生。在這種情況下，分析發現差異不僅存在個別影像內，而且橫跨整個時間序。每個解析成分以不同的顏色區分，這類似於在生物螢光成像中使用染料標記細胞不同的部分。每個影像來自於陽極同一個 30 μm平方面積，藍色部分是表示 1580 cm^-1 波段、綠色 1590 cm^-1波段、黃色 154 cm^-1 波段、紅色代表碳黑即導電增強劑。
將擁有如此海量數據的訊息內容可視化是一件具有挑戰性的事，圖4僅顯示三個時間點來展示這種類型的分析，使用時間推移查看完整的時間序更容易掌握變化。