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使用紅外光譜儀對鋰離子電池隔膜進行材料鑒定
閱讀：296 發布時間：2024-9-29前言鋰離子電池 (LIBs) 已成為一系列應用（包括電動汽車、便攜式電子產品和可再生能源儲存系統）中電源。LIBs 由四個主要組件（正極、負極、隔膜和電解液）組成，需要對所有電池原料和組件進行嚴格的質量控制 (QC)，以確保安全性、性能和耐久性。LIBs 的一個關鍵組件是隔膜 ― 一種物理分離負極和正極的多孔薄膜。該組件可防止電極直接接觸、避免潛在短路和熱失控，對于電池安全性和性能發揮著至關重要的作用。隔膜也有利于充放電過程中離子在電極間流動。
聚合物材料（例如聚乙烯 (PE) 或聚丙烯 (PP)）通常用于制造LIB 隔膜。選擇這些材料是因為它們具有穩定的機械強度與化學穩定性，同時能夠使離子在電極之間流動。研究證明，傅里葉變換紅外 (FTIR) 光譜法能夠通過材料的不同 FTIR 光譜將其區分開來，非常適合用于聚合物分析[1]。本研究的重點集中在使用 Agilent Cary 630 FTIR 光譜儀對 LIB隔膜進行材料鑒定，并考察該光譜儀在 LIB 組件中所用鹽和溶劑的 QC 檢測中的作用[2,3]。由于儀器采用超緊湊的設計，如有必要，可以在手套箱內濕度受控的環境中進行潛在有害物質的分析[1]。Cary 630 FTIR 還廣泛應用于推動和改進電池材料的研發活動中[4]。
實驗部分儀器利用配備單反射鉆石晶體衰減全反射 (ATR) 采樣頭的 AgilentCary 630 FTIR，快速、簡便地實現新的和廢舊 LIB 隔膜的材料鑒定 (ID)（圖 1）。
結果與討論使用相似度算法搜索用戶生成的內部光譜庫，發現這兩種隔膜均以在 0.90–0.99（綠色）的置信度閾值范圍內的高匹配質量指數 (HQI) 得到鑒定。新隔膜被鑒定為聚丙烯，HQI 為 0.94064 (PP)（圖 3A）。HQI反映出隔膜具有多層結構，與用于生成庫光譜的標準物質相比，可能包含 PP 添加劑。然而，可以利用更加匹配的標準物質改善 HQI，使用 MicroLab 軟件在幾秒鐘內更新或創建光譜庫。可以在創建時或其他任意時間點，直接從結果界面向譜庫中添加譜圖。
廢舊隔膜材料被鑒定為聚乙烯 (PE)，HQI 為 0.92274（圖 3B）。如圖 4 所示，來自其他 LIB 組件的污染物可能對 HQI 結果產生影響。針對每個譜庫條目，軟件會自動計算 HQI，該值表示實測光譜與譜庫譜圖的匹配程度。在基于 HQI 閾值設置的材料鑒定和確認工作流程中，結果通常以符合/不符合標準的方式進行解讀，這些設置在 MicroLab 軟件中可以由用戶進行調整。在本研究中，將 HQI 高于 0.90 的結果用綠色編碼。
對結果進行顏色標記使 Cary 630 FTIR 系統成為一種簡便易用的一站式解決方案，有助于快速做出決策。樣品測量完成后，MicroLab 軟件會在屏幕上直接顯示最終結果，無需用戶進行任何輸入。圖 4. 在精簡視圖中顯示的廢舊 LIB 隔膜（紅色跡線）和譜庫匹配結果（藍色跡線）的疊加譜圖。通過 Agilent MicroLab 軟件中的波數比例因子能夠更詳細地查看目標光譜范圍。用于突出顯示頂部光譜區域的黑框表示來自其他 LIB 組件的潛在污染物該軟件自動執行譜庫搜索，并向操作人員提供最終的用顏色標記的結果，從而降低分析的復雜性，并為材料的鑒定結果提供可信度。
結論Agilent Cary 630 FTIR 光譜儀和 Agilent MicroLab 軟件為新的和廢舊鋰離子電池隔膜快速提供了準確的材料鑒定結果。在 MicroLab 軟件中使用現有的用戶生成的聚合物光譜庫，使Cary 630 FTIR 能夠將兩個隔膜樣品分別鑒定為聚丙烯和聚乙烯。通過在譜庫中添加更具有代表性的參比光譜，可進一步提高結果的置信度。可以在 MicroLab 軟件中輕松維護和管理光譜庫，并可以在幾秒內新建譜庫。MicroLab 軟件根據 HQI 對新的和廢舊隔膜樣品的鑒定結果進行顏色標記，從而能夠快速、輕松地審查數據的質量。兩個樣品均以高置信度得到鑒定。本研究表明，配備 ATR 采樣附件的 Cary 630 FTIR 可有效用于根據 LIB 制造商的要求對材料進行 QC 檢測。該方法也適用于致力開發或改進電池材料的研發團隊。