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能源儲存和轉(zhuǎn)換技術(shù)是當今社會可持續(xù)發(fā)展的一種重要的技術(shù)，由于電化學儲能系統(tǒng)具有各種優(yōu)勢，如污染少、循環(huán)效率高、壽命長以及成本低等，而備受關(guān)注。鋰離子電池儲能技術(shù)由于其能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。
在線電化學質(zhì)譜可以準確定量鋰離子電池反應(yīng)過程中消耗和生成氣體的量，通過結(jié)合電池反應(yīng)時通過的電量Q，研究鋰離子電池的可逆主反應(yīng)和不可逆副反應(yīng)；鋰離子電池發(fā)生副反應(yīng)時通常伴隨著氣體的產(chǎn)生，如 H2、CO、CO2 等，所以測定氣體種類和含量，并結(jié)合電量計算和同位素跟蹤，可以進一步明確正、負極材料、電解液或SEI膜在鋰離子電池運行中時的變化。
圖1 在線電化學質(zhì)譜的結(jié)構(gòu)示意圖
在線電化學質(zhì)譜系統(tǒng)主要包括三大部分：載氣傳輸調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電化學反應(yīng)裝置和質(zhì)譜儀。載氣首先由氣體鋼瓶進入捕集阱，排除雜質(zhì)氣體（主要是 H2O 和CO2 等）對實驗的干擾，然后進入流量控制器。流量控制器對實驗測定至關(guān)重要，流速太慢容易降低氣相產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移效率，流速太快使得電解液揮發(fā)加劇，所以用戶可以根據(jù)實驗體系的不同，對流量進行調(diào)節(jié)。閥可以控制載氣的開關(guān)。鋰離子電池反應(yīng)裝置內(nèi)可形成螺旋梯度氣體流場，使得氣流更加穩(wěn)定，大大減小渦流情況的發(fā)生概率，也可提高氣體傳輸效率。冷阱和 Teflon 膜可除去樣氣中的有機電解液，保證數(shù)據(jù)的準確性。后，待測氣體進入采樣毛細管進樣組件，經(jīng)加熱恒溫后進入在線質(zhì)譜儀中。電子轟擊型離子源（EI）可產(chǎn)生一定能量的電子，并在電離室中將待檢測化合物電離形成分子離子碎片及碎片離子，由質(zhì)量分析器篩選所需離子后按質(zhì)荷比大小依次抵達檢測器，信號經(jīng)過放大、記錄得到氣體變化趨勢圖。
圖2 鋰氧電池的MSCV圖
由上圖可見，在線電化學質(zhì)譜可測定鋰氧電池中反應(yīng)物O2和副產(chǎn)物CO2隨電極電位和時間的變化。在線電化學質(zhì)譜技術(shù)可同時確定每種產(chǎn)物的法拉第電流隨電極電位或時間的變化，通過時間軸向電勢軸變換而獲得質(zhì)譜伏安圖(Mass Spectrometric Voltammograms ，MSCV)，結(jié)合電化學反應(yīng)循環(huán)伏安，得到相關(guān)反應(yīng)機理和定量信息。
綜上所述，在線電化學質(zhì)譜作為一個非常重要的分析手段，可以對鋰離子電池系統(tǒng)儲能器件的安全性和性能研究起到至關(guān)重要的氣體進行檢測，因此電化學在線質(zhì)譜技術(shù)對于深入研究鋰離子電池儲能器件中存在的重大科學問題和提高儲能器件的產(chǎn)品質(zhì)量方面展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)于舜宇恒平過程質(zhì)譜儀器
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