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微分電化學(xué)質(zhì)譜（DEMS）在電池研究中的應(yīng)用與檢測分析

來源：時間：2025-06-24 16:50:19 瀏覽：2060次

微分電化學(xué)質(zhì)譜（DEMS）在電池研究中的應(yīng)用與檢測分析

微分電化學(xué)質(zhì)譜（Differential Electrochemical Mass Spectrometry, DEMS）是一種結(jié)合電化學(xué)與質(zhì)譜技術(shù)的原位表征方法，能夠?qū)崟r監(jiān)測電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣態(tài)或揮發(fā)性產(chǎn)物。在電池研究中，DEMS 被廣泛應(yīng)用于分析電極反應(yīng)機理、電解液分解、氣體析出及電池失效機制等。以下是DEMS 的工作原理、在鋰離子電池、鋰硫電池、固態(tài)電池等體系中的應(yīng)用。

DEMS

DEMS 的工作原理

DEMS 系統(tǒng)主要由電化學(xué)測試單元（如電池測試池）和質(zhì)譜檢測器（通常采用四極桿質(zhì)譜或飛行時間質(zhì)譜）組成。其核心特點包括：

原位檢測：在電化學(xué)反應(yīng)過程中實時監(jiān)測氣體或揮發(fā)性產(chǎn)物的生成與消耗。

高靈敏度：可檢測 ppm 甚至 ppb 級別的氣體分子（如 H?、O?、CO?、CH? 等）。

時間分辨能力：結(jié)合電化學(xué)信號（如電流、電壓）與質(zhì)譜信號，可關(guān)聯(lián)反應(yīng)動力學(xué)與產(chǎn)物演化。

DEMS 測試池通常采用特殊設(shè)計，確保氣體產(chǎn)物能快速傳輸至質(zhì)譜儀，同時避免空氣干擾。

DEMS 在電池研究中的應(yīng)用

（1）鋰離子電池

正極材料研究：

監(jiān)測高電壓下電解液的氧化分解（如碳酸酯類溶劑分解產(chǎn)生 CO?、C?H? 等）。

分析層狀氧化物（如 NCM、NCA）或富鋰錳基材料在充放電過程中的氧析出（O?）。

負極材料研究：

研究石墨或硅負極的固體電解質(zhì)界面（SEI）形成過程，檢測 H?、C?H? 等副產(chǎn)物。

分析鋰枝晶生長伴隨的 H? 釋放（來自電解液還原）。

（2）鋰硫（Li-S）電池

檢測多硫化物的穿梭效應(yīng)，如 S?、Li?S?（x=2~8）的揮發(fā)性物種。

研究電解液添加劑對多硫化物轉(zhuǎn)化的影響。

（3）固態(tài)電池

分析固態(tài)電解質(zhì)（如 LLZO、LGPS）與電極界面的副反應(yīng)，如 H?S、SO? 的釋放。

研究鋰金屬負極與固態(tài)電解質(zhì)的相容性。

（4）其他電池體系

鈉離子電池：檢測電解液分解氣體（如 NaPF? 分解產(chǎn)生的 PF?、HF）。

鋰氧（Li-O?）電池：實時監(jiān)測 O? 的消耗與生成，揭示充放電機制。

DEMS 可檢測的關(guān)鍵參數(shù)

氣體析出行為：如 H?、O?、CO?、CH? 等，用于評估電解液穩(wěn)定性。

反應(yīng)中間體：如 Li-S 電池中的多硫化物（S??·、S?2? 等）。

副反應(yīng)動力學(xué)：通過質(zhì)譜信號強度與電化學(xué)電流的關(guān)聯(lián)，計算法拉第效率。

熱失控預(yù)警：檢測電池過熱時的氣體釋放（如 CO、C?H? 等可燃氣體）。

DEMS 技術(shù)在電池研究中具有不可替代的優(yōu)勢，尤其在解析復(fù)雜反應(yīng)機理、優(yōu)化電解液配方、提高電池安全性等方面發(fā)揮重要作用。隨著原位表征技術(shù)的發(fā)展，DEMS 可能進一步結(jié)合紅外光譜、拉曼光譜等多模態(tài)分析手段，為新型電池體系的設(shè)計提供更全面的數(shù)據(jù)支持。

測試GO

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