上海人和科學儀器有限公司
SPECTRUMA 輝光放電光譜儀對鋰離子電池的分析
檢測樣品：鋰離子電池
檢測項目：電極 固體電解質
方案概述：鋰離子電池（LIB）一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。通常用SEM/EDS分析鋰離子電池電極的成分和層厚，但是存在需要切面處理，制樣和分析時間較長等問題。我們提出利用Spectruma輝光放電光譜儀，快速且精確地測試這兩個參數的解決方案。
鋰離子電池（LIB）一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。鋰離子電池的工作原理是基于鋰離子在石墨陽極的碳層或陰極的晶體結構之間的反復嵌入/脫嵌循環。電極的成分和層厚等對鋰離子電池的性能和應用有著重要的影響，準確分析測定這些參數對研發者和使用者都有著重要的意義。通常用SEM/EDS分析鋰離子電池電極的成分和層厚，但是存在需要切面處理，制樣和分析時間較長等問題。我們提出利用Spectruma輝光放電光譜儀，快速且精確地測試這兩個參數的解決方案。
GDOES 定義及原理簡介
輝光放電發射光譜（GDOES）是一種對金屬和非金屬固體材料進行定性和定量分析的光譜方法。GDOES可以用來研究樣品的元素組成、層厚和層結構。此外，可以確定涂層重量。
將樣品置于輝光放電源中，作為陰極進行切換。輝光放電源在低壓下充滿氬氣。在空心陽極和陰極之間施加直流電壓（樣品）。由于直流電壓的能量輸入，氬原子被電離，形成等離子體。氬離子向負樣品表面加速并擊落一些樣品原子（“濺射”）。被濺射出的樣品原子擴散到等離子體中，在那里它們與高能電子碰撞。在這些碰撞過程中，能量被傳遞給樣品原子，促使它們進入激發態，并很快回到基態。回到基態原子發射出具有特征波長光譜的光（圖1）。
在光譜儀中，不同波長的光被光學系統色散，不同波長的特征光（譜線）由探測系統記錄。這些線的強度與等離子體中對應元素的濃度成正比。
樣品轉移艙的選擇和工作原理
由于鋰可能與氧氣發生反應，應在保護性氣氛下進行處理和儲存，為此開發了樣品轉移艙，對樣品進行額外的保護。因此，在手套箱里，Li樣品被粘在鋁箔上，并通過窗口密封在轉移艙中。然后，將包括樣品的轉移艙從手套箱中取出并帶到輝光放電光譜儀。
轉移艙安裝在光譜儀上后，轉移艙的窗口在真空過程開始之前不會打開，這樣就可以保證鋰樣品不接觸空氣。
鋰離子電池（LIB）分析
圖6和圖7顯示了兩個不同鋰離子電池（LIB）樣品的深度剖面圖，其強度隨時間而變化。除了金屬外，輝光放電光譜儀還可以檢測碳、氧和磷等元素。
圖8顯示了另一個LIB樣品的深度剖面圖，這次繪制了質量濃度與深度的關系圖。覆蓋銅電極的層厚約為50µm。WinGDOES還可以繪制摩爾濃度與深度的關系，并計算涂層重量。
另外，在第一個循環中，電解質中的溶劑分子在陽極上被還原。這種還原的產物留在陽極表面，形成一種稱為固體電解質界面（SEI）的鈍化膜。SEI不均勻地覆蓋陽極表面（圖9）。電池性能、不可逆電荷“損耗”、速率能力、循環性、石墨剝落和安全性等重要特性高度依賴于SEI的性質。因此，用Spectruma輝光放電光譜儀，對SEI的成分和層厚進行精確研究也是非常有意義的。
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