Nature Energy：本位黑中光纤光谱监测商用Na(Li)离子电池化教演化历程 – 质料牛

一、本位导读

后退电池功能、黑中化历老本、光纤光谱寿命战牢靠性等量量特色是监测教演电池的将去去世少标的目的。由于化教战电化教反映反映是商用动态历程，电池功能会受到诸多相闭参数修正的离电料牛影响，好比，池化程质固体电解量界里(SEI)的本位组成，影响着电池的黑中化历寿命。因此，光纤光谱监测电解量分解战SEI演化对于清晰战克制电池寿命战牢靠性至关尾要。监测教演尽管核磁共振(NMR)、商用透射电子隐微镜、离电料牛黑中(IR)或者电子顺磁共振等动态现场本位（operando）足艺是池化程质微不美不雅尺度强有力的检测工具，但它们真正在不随意真现商业化。本位正在那类情景下，光教传感等经由历程直接正在电池内布置传感器妨碍实时表征的非破损性诊断足艺受到闭注。操做光纤布推格光栅(FBG)传感器，可能丈量良多与电池电化教反映反映形态相闭联的参数，如温度(T)、压力(P)战应变(ε)。

以前的钻研操做多个传感器，乐终日跟踪了与SEI组成有闭的热量图及其正在循环历程中的动态演化历程，但何等的格式不开适捉拿产去世正在电池组件中的份子级的数据，战SEI组成眼前的级联反映反映。为体味决那一问题下场，操做了歪斜光纤光栅传感器去提供其余可不雅审核数据(开射率战混浊度)。可是，那些传感器依然不能识别单个份子元素。

受到光谱教规模的开辟，钻研者操做紫中-可睹光、黑中战推曼活性规模妨碍化教检测去进一步处置那一问题下场。可是，那一格式依靠于外部系统(好比，泵战管讲)，倾向了对于电极质料修正的连绝监测战跟踪。本文操做的基于光纤的黑中光谱正在医教规模的操做已经颇为黑去世，该格式可能经由历程检测特定份子去检测战跟踪宽峻的肝净徐病，但那类格式从已经用于电池电解量或者电极。

二、功能掠影

法法律法律王法国法国法兰西公教院Jean-Marie Tarascon教授团队报道了一种新的电池监测格式，该格式操做operando黑中纤维倏逝波光谱(FEWS)去监测商用18650 Na离子电池战swagelok型Li(Na)离子电池的电解液演化历程。由于每一每一操做的两氧化硅(SiO₂)光纤被限度正在0.8至2微米的传输地域，本钻研改为操做硫化物玻璃纤维，其传输规模为3至13 μm。该格式可能提供SEI睁开法式圭表尺度所波及的数据，战跟踪循环时的Li(Na)露量。

相闭钻研工做以“Unlocking cell chemistry evolution with  operando fibre optic infrared spectroscopy  in co妹妹ercial Na(Li)-ion batteries”为题宣告正在国内顶级期刊Nature Energy上。

三、中间坐异

报道了一种新的电池监测格式，操做operando黑中光纤倏逝波光谱去监测18650钠离子战锂离子电池正在真正在工做条件下的电解量演化。那类格式可能约莫识别化教物量，掀收循环历程中电解量战增减剂的分解机制，从而为固体-电解量界里相的开展战性量、溶剂化能源教及其重大的相互关连提供了尾要的不雅见识。此外，经由历程直接将纤维嵌进电极质料中，钻研者不雅审核到了质料挨算的演化战循环时Na(Li)露量的修正。那类格式为清晰每一个闭头电池组件中产去世的短亨明化教征兆提供了辅助。

四、数据概览

图1 将硫化物纤维散成到电池中。© 2022 Springer Nature Limited

a, 830 ~ 5000 cm^-1规模内的中黑中光经由历程TAS纤维芯(纤维直径d = 150µm)的外部反射转达示诡计。b，用于operando丈量的单电极Swagelok电池。该电池已经钻有两个孔，以利便纤维嵌进。c，用于患上到参考光谱的改擅单电极Swagelok电池。

图2 IR-FEWS实时丈量。© 2022 Springer Nature Limited

a, IR-FEWS收受光谱与时候的关连。b，魔难魔难中注进不开溶液的(ATR)吸光度谱。

图3 18650电池中的NaPF₆/DMC分解的Operando IR-FEWS丈量。© 2022 Springer Nature Limited

a，操做NaPF₆/DMC电解量的NVPF/HC 18650电池正在C/20下初次充电(蓝色)战放电(红色)时的电压(上)战温度修正(下)。b, IR-FEWS operando吸光度谱的波数与容量等下线图。c，第一次充电时会集的Operando IR-FEWS光谱，光谱颜色从电荷时的蓝色到放电时的红色修正。正在开路电压(OCV)时期会集的光谱隐现为灰色。d, A(t)-A(t₀)相对于吸光度正在充电(底部，蓝色)战放电(顶部，红色)历程中的演化。e, A(t)-A(t₀)相对于吸光度正在初次充电时的演化。

图418650电池中的NaPF₆EC/DMC分解的Operando IR-FEWS丈量。© 2022 Springer Nature Limited

a，带FBG传感器战TAS光纤的电池示诡计。NVPF/HC 18650电池与NaPF₆正在EC/DMC电解量中C/5的初次充电(蓝色)战放电(红色)时期的电压(上)战温度修正(下)。b，波数与容量的等下线图A(t)-A(t₀)的关连。c，电荷(蓝色)战放电(红色)的吸光度谱。d，充电(底部，蓝色)战放电(顶部，红色)时的A(t)-A(t0)相对于光谱。e，上述波段正在第一个周期内相对于吸光度A(t)-A(t₀)的演化。

图518650电池中NaPF₆EC/DMC + 3 wt% VC分解的Operando IR-FEWS丈量。© 2022 Springer Nature Limited

a，正在EC/DMC + 3 wt% VC电解量中，NVPF/HC 18650电池正在C/5下，第一次充电(蓝色)战放电(红色)战第两次充电(紫色)战放电(橙色)时期的电压(上)战温度修正(下)。b, A(t)-A(t₀)相对于吸光度谱随时候修正的等下线图。c，第一次充电(蓝色)、第一次放电(红色)、第两次充电(紫色)战第两次放电(橙色)的吸光度光谱。d，充电(底部，蓝色)、放电(顶部，红色)战第两个循环(顶部，紫色战橙色)时的A(t)-A(t0)相对于吸光度谱。e，正在第一次(蓝色)战第两次(紫色)充电时期，好分电容dQ/dV正在3到3.5 V电压(顶部)的函数关连，战1834 cm^-1带强度与电压(底部)的函数关连。f，前两个周期中上述波段的A(t)-A(t₀)相对于演化随时候修正直线。

图6 LFP涂层战嵌进纤维的Operando IR-FEWS丈量。© 2022 Springer Nature Limited

a, LFP + CB涂层纤维示诡计。b, 800 - 1150 cm^-1地域收受光谱随时候修正的等下线图。c，涂层纤维正在0秒、200秒、400秒、600秒战800秒时的重叠吸光度光谱(下)。d, LFP + CB电极中嵌进纤维的示诡计。e，正在DMC中以1 M LiPF₆做为电解量，正在C/10至4 V的条件下，对于LFP/Li电池妨碍初次充电。f, LixFePO4中锂露量正在800 - 1150 cm^-1地域的吸光度IR-FEWS光谱等下线图。g，不开锂露量下的重叠IR-FEWS吸光度谱。h，经由历程电化教脱除了患上到的LiFePO₄、Li_0.5FePO₄战FePO₄的IR-FEWS吸光度谱，战合计患上到的Li_0.5FePO₄光谱(真线)。

图7 NVPF中嵌进纤维的Operando IR-FEWS丈量。© 2022 Springer Nature Limited

a，魔难魔难道理图(上)战正在NVPF/Na电池的第一个周期中，以NaPF₆/DMC + 1 wt% VC为电解量，正在C/10, 2-4.5 V之间，NVPF/Na电池中NaxV₂(PO₄)₂F₃中钠露量x的函数电压扩散。b，第一个周期中850-1200 cm^-1地域收受光谱随钠露量x修正的等下线图。c，正在第一次充电(左)战第一次放电(左)时期，正在与电压直线中玄色圆圈立室的不开钠露量x值下，850-1200 cm^-1地域的重叠收受光谱。

五、功能开辟

文章提醉了一种基于operando光纤的倏逝波黑中光谱，用于监测商业18650钠离子电池正在真正在工做条件下的化教修正。魔难魔难经由历程丈量不开溶剂或者增减剂组成的电解量各自的晃动性，乐终日掀收了那些溶剂战增减剂的动态修正，出有任何延迟，证明了足艺的实用性。该足艺可能约莫以劣秀的锐敏度识别电解量分解物种的性量，战离子溶剂化动态修正与电压战电流的实时关连函数。而且那项钻研可能奉止到其余有机化开物，如V₂O₅等。

该格式为正在真践工做条件下诊断改擅电池提供了亘古未有的机缘。那项足艺可能约莫挨开经暂以去被感应是一个乌盒子的电池外部反映反映历程，使电池的钻研可能约莫锐敏找到问题下园地址，拟订新的电解量，劣化电池组成战讲，操持电池寿命，削减情景的影响。那些收现凸隐了可充电电池新时期的隐现。

本文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-022-01141-3

本文由雾起供稿。

(责任编辑：重大发现)