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微分电化学质谱(DEMS)在电池研究中的应用与检测分析
来源: 时间:2025-06-24 16:50:19 浏览:1261次

微分电化学质谱(DEMS)在电池研究中的应用与检测分析


微分电化学质谱Differential Electrochemical Mass Spectrometry, DEMS)是一种结合电化学与质谱技术的原位表征方法,能够实时监测电化学反应过程中产生的气态或挥发性产物。在电池研究中,DEMS 被广泛应用于分析电极反应机理、电解液分解、气体析出及电池失效机制等。以下是DEMS 的工作原理、在锂离子电池、锂硫电池、固态电池等体系中的应用。

DEMS

DEMS 的工作原理

DEMS 系统主要由电化学测试单元(如电池测试池)和质谱检测器(通常采用四极杆质谱或飞行时间质谱)组成。其核心特点包括:

原位检测:在电化学反应过程中实时监测气体或挥发性产物的生成与消耗。

高灵敏度:可检测 ppm 甚至 ppb 级别的气体分子(如 H₂、O₂、CO₂、CH 等)。

时间分辨能力:结合电化学信号(如电流、电压)与质谱信号,可关联反应动力学与产物演化。

DEMS 测试池通常采用特殊设计,确保气体产物能快速传输至质谱仪,同时避免空气干扰。


DEMS 在电池研究中的应用

1)锂离子电池

正极材料研究:

监测高电压下电解液的氧化分解(如碳酸酯类溶剂分解产生 CO₂、CH 等)。

分析层状氧化物(如 NCMNCA)或富锂锰基材料在充放电过程中的氧析出(O₂)。

负极材料研究:

研究石墨或硅负极的固体电解质界面(SEI)形成过程,检测 H₂、CH 等副产物。

分析锂枝晶生长伴随的 H 释放(来自电解液还原)。

2)锂硫(Li-S)电池

检测多硫化物的穿梭效应,如 S₈、LiSₓ(x=2~8)的挥发性物种。

研究电解液添加剂对多硫化物转化的影响。

3)固态电池

分析固态电解质(如 LLZOLGPS)与电极界面的副反应,如 HSSO 的释放。

研究锂金属负极与固态电解质的相容性。

4)其他电池体系

钠离子电池:检测电解液分解气体(如 NaPF 分解产生的 PF₅、HF)。

锂氧(Li-O₂)电池:实时监测 O 的消耗与生成,揭示充放电机制。


DEMS 可检测的关键参数

气体析出行为:如 H₂、O₂、CO₂、CH 等,用于评估电解液稳定性。

反应中间体:如 Li-S 电池中的多硫化物(S₃⁻·、S₄²⁻ 等)。

副反应动力学:通过质谱信号强度与电化学电流的关联,计算法拉第效率。

热失控预警:检测电池过热时的气体释放(如 COCH 等可燃气体)。



DEMS 技术在电池研究中具有不可替代的优势,尤其在解析复杂反应机理、优化电解液配方、提高电池安全性等方面发挥重要作用。随着原位表征技术的发展,DEMS 可能进一步结合红外光谱、拉曼光谱等多模态分析手段,为新型电池体系的设计提供更全面的数据支持。



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12条评论
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全部 3小时前 四川
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