【摘要】 由于充放电电位是研究电池产气行为机理的关键因素,因此建立电池反应中气体逸出与电池电位的——对应关系至关重要。

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DEMS作为一种原位电化学方法，具有极高的灵敏度和分辨率，能够实时监测电池运行过程中的气体产物。在钠电池材料检测中，DEMS的应用主要体现在对电池充放电过程中产生的气体进行在线分析。通过检测挥发性产物，DEMS可以获得电池内部电化学反应的定性、定量信息，为优化电池性能和提高安全性提供数据支持。

具体来说，DEMS系统会将电化学反应装置与质谱仪连用，使得由电化学反应产生的挥发性产物从疏水透气的膜接口进入质谱仪的真空系统管路中。通过这种方式，DEMS能够捕捉到不同质荷比离子的电流随时间的变化，从而揭示电池内部的化学反应过程。

在钠电池材料检测中，DEMS的应用有助于深入了解电池在充放电过程中的气体产生情况。例如，它可以用于监测钠离子软包电池首圈充放电过程中的主要副反应产气，如CO2、CH4、H2等，同时还可以检测到微量C2H4。这些信息对于评估电池的性能、安全性以及优化电池材料设计都具有重要意义。

 

DEMS组成结构示意图-源自网络

 

测试概念

电池在正常充放电使用过程中,会因电池内部电流、电压、压力等等不均匀性导致局部电位异常增高,引发正极结构变化,并诱导电解液在界面处分解,产生界面产物和气体,在特定电位下正极结构也可能坍塌产生O2,增加电池的产气量。在存储过程中,当电极表面SEI不稳定时,SEI膜会出现分解再形成的过程,而暴露出的新的电极表面也会进一步发生反应形成新SEI膜;与SEI膜有关的分解和形成的反应中都可能产生以碳氢类为主的气体。

而电池中的水分(杂质水和电池使用过程中产生的水),会与含氟锂盐反应产生HF,进一步促进电池充放电和存储过程界面反应的发生,间接增加气体的释放。

 

DEMS系统组成实物图-源自网络

 

测试原理

由于充放电电位是研究电池产气行为机理的关键因素,因此建立电池反应中气体逸出与电池电位的——对应关系至关重要。在产气量方面,正极侧电解液氧化或正极析氧产生的气体量通常比负极SEI形成期间产气量少,因此需要高精度原位方法对电池充放电过程中的产气进行监测和测试,特别是对产气量少的正极。在电池进行充放电过程中连续同步监测气态产物的成分和含量变化方面,微分电化学质谱Differential Electrochemical Mass Spectrometry(DEMS)显示出了其独特的优势,可准确确定气体在充放电过程中的产生电位,有助于电化学反应机理的分析和气体来源的进一步确定。

 

界面膜系统特征比较-图片源自网络

 

测试资料

软包装钠离子电池由于其采用特殊的包装结构,用铝塑复合薄膜制造电池外壳,在生产制造工序中对包装钠离子电池的内部抽真空以形成负压来保证电池的厚度和良好的正负极界面进而保证电池的性能。电池内部气体的产生会导致电池的整体厚度超出设计的范围,可能对使用电池的电子设备和其内部的器件产生影响,极端条件下甚至会导致安全问题,所以电池产气是考察电池质量和可靠性的一项重要指标。

 

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钠离子电池中气体的产生伴随着电极及电极/电解液界面不可逆反应和电化学性能的恶化,而具有有效功能界面层的电极可以阻止电解质分解和气体形成。因此,电池中产气问题的分析对电极/电解液界面膜质量的研究具有重要意义。

 

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参考文献

  • 李晶, 李泓. 原位差分电化学质谱技术在锂离子电池研究中的应用[J]. 化学学报, 2017, 75(07): 623-634.这篇文章介绍了原位差分电化学质谱技术在锂离子电池研究中的应用，包括其原理、优势以及在电池材料研究、电池失效机理分析等方面的应用案例。虽然文章主要聚焦于锂离子电池，但DEMS技术在钠电池产气分析中的应用原理和方法是相似的。

  • 黄令, 王永刚, 张建军, 等. 原位微分电化学质谱技术及其在二次电池研究中的应用[J]. 储能科学与技术, 2019, 8(05): 817-831.这篇文章详细阐述了原位微分电化学质谱技术的原理、特点及其在二次电池研究中的应用进展。文章涉及了DEMS在电池产气分析方面的应用，并讨论了其在揭示电池反应机理、评估电池性能等方面的潜力和挑战。

  • 许晓雄, 官亦标, 李泓. 二次电池产气行为及原位气体分析技术[J]. 化学进展, 2017, 29(12): 1404-1424.本文综述了二次电池在充放电过程中的产气行为及其影响，并详细介绍了原位气体分析技术，包括DEMS在电池产气研究中的应用。文章提供了对DEMS技术的深入了解和其在电池产气分析中的重要性的认识。

 

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