使用拉曼光譜進行可充電電池診斷

2022/08/22

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。”