锂离子二次电池的拉曼光谱技术分析

锂离子二次电池的拉曼光谱技术分析

从锂离子电池的拉曼光谱中可以学到什么

拉曼光谱具有适用于锂离子电池材料分析的特性，例如能够分析材料的结晶度、识别材料的类型以及观察其分布。此外，由于活性材料的拉曼光谱随着锂离子的脱嵌和脱嵌而变化，因此可以观察活性材料的充电状态分布。在这里，我们介绍使用拉曼成像的锂离子二次电池电极的分析示例。

观察活性物质分布

锂离子电池电极是活性材料、导电助剂和粘合剂的混合物，分散状态影响电池的性能。扫描电子显微镜 (SEM) 经常用于这种形态观察，但拉曼成像可用于评估“晶体结构的分布"以及形态。特别是由于拉曼光谱非常适合评价碳材料的结晶度，因此适用于观察锂离子电池电极，锂离子电池电极经常使用碳材料作为活性材料和导电助剂。

例如，在比较石墨和科琴黑的拉曼光谱时，如右图所示，由于各自的结晶度不同，峰形也不同。如果结晶度像石墨一样好，G 带就会强，如果结晶度像 Ketjenblack 那样不好，D 带就会强。这些带的强度比(G/D比)被用作石墨的结晶度的指标，数值越高表示结晶度越高。

下面显示的是使用 PVdF 和 PAANa 作为粘合剂的 Si 基负极的拉曼图像（使用拉曼显微镜 RAMANtouch/RAMANforce）。使用 PVdF 时，Graphite 和 Ketjenblack 分开分布，但使用 PAANa 时它们分散得很细。另外，可知无论使用何种粘合剂，Si粒子均以1μm左右的大小分布。





下面显示的是石墨阳极循环前后 G/D 比的拉曼图像（使用拉曼显微镜 RAMANtouch/RAMANforce）。在该拉曼图像中，蓝色表示结晶度较低，红色表示结晶度较高。循环前，有分散的高结晶区域以红色显示，但循环后，G/D比整体下降，高结晶的红色区域消失，增加。在比较这种石墨的拉曼图像时，可以通过比较 G/D 比的直方图来进行定量评估（右图）。通过直方图的比较，可以发现充放电前后的众数、标准偏差、最大值等的变化，可以定量评价充放电引起的结晶性的劣化。