光谱仪及其在锂离子电池测试中的应用，一文看懂！

光谱仪作为分析化学中的重要工具，能够提供关于材料成分、结构和状态的详细信息。在锂离子电池（Li-ion battery, LIB）领域，光谱仪的应用极为广泛，通过对电池材料和电解液的分析，能够有效提升电池性能、延长寿命并保障安全性。本文将详细介绍光谱仪的原理、分类及其在锂离子电池测试中的应用实例，强调光谱仪在测试表征中的重要性和意义，并提供购买指南。

1. 光谱仪的原理及分类

光谱仪通过测量物质对电磁辐射的吸收、发射或散射光谱，获取样品的光谱特征，从而分析其成分和结构。光谱分析的基本原理基于电子的能级跃迁，当光子能量与电子能级差匹配时，电子吸收光子发生跃迁，产生特定的吸收或发射光谱。这些光谱特征可以用于定性和定量分析物质的组成和结构。

1.1 紫外-可见光光谱仪 (UV-Vis Spectrometer)

• 原理: 紫外-可见光光谱仪测量样品吸收或反射的紫外和可见光的光谱。光源发出的光通过样品，样品中的分子吸收特定波长的光，导致电子从基态跃迁到激发态。检测器记录透过光或反射光的强度，绘制出吸收光谱或反射光谱。通过测量样品在紫外和可见光区域的吸收光谱，分析物质的光学性质。紫外和可见光的波长范围通常为200~800nm。

• 应用: 适用于分析电解液和电极材料中的光吸收特性，研究电池材料的能带结构和电子转移行为。

• 实例: 研究电解液中的添加剂。通过UV-Vis光谱，可以监测不同添加剂在电解液中的光吸收特性，确定其浓度和稳定性。通过UV-Vis光谱分析了电解液中加入的抗氧化添加剂，发现其在特定波长下有显著吸收峰，进一步确定了其在电解液中的浓度和分解行为。UV-Vis光谱能够提供关于电解液组成和稳定性的详细信息，帮助优化电解液配方，提升锂电池的循环寿命和安全性。

图1 暗箱式紫外分析仪ZF-20D

新威研选有售！欢迎各位选购！

1.2 红外光谱仪 (IR Spectrometer)

• 原理: 红外光谱仪测量样品吸收红外光的光谱。样品吸收特定波长的红外光，使得分子振动和旋转能级跃迁。通过检测吸收光的波长和强度，获取样品的红外光谱。通过测量样品在红外区域的吸收光谱，分析分子中的振动模式和化学键。红外光谱波长范围为2.5-25μm (4000-400 cm^-1)。

• 应用: 用于分析锂电池材料中的化学键和分子振动模式，监测电解液与电极之间的界面反应。

• 实例: 监测SEI层的形成和变化。SEI层是锂电池循环过程中在负极表面形成的一层钝化膜，对电池的性能和寿命有重要影响。通过红外光谱，可以分析SEI层的化学组成和结构变化。例如，使用IR光谱监测了不同电解液在负极表面形成的SEI层，发现特定添加剂能够显著改善SEI层的稳定性。IR光谱能够提供关于SEI层组成和结构的详细信息，帮助优化电解液配方和电池设计，提高锂电池的性能和稳定性。

图2 傅里叶变换红外光谱仪FTIR750

新威研选有售！欢迎各位选购！

1.3 拉曼光谱仪 (Raman Spectrometer)

• 原理: 拉曼光谱仪基于拉曼散射效应，即当单色光（通常是激光）照射到样品时，样品中的分子会散射光子，产生与入射光频率不同的光（拉曼散射光）。通过检测和分析这些散射光的频率变化，获得样品的拉曼光谱。通过测量样品与激光相互作用后散射光中的拉曼散射光谱，分析分子中的振动和旋转模式。拉曼光谱能够提供关于分子结构和化学键的信息。

• 应用: 适用于实时监测锂电池材料在充放电过程中的结构变化，揭示锂离子在电极材料中的扩散机制。

• 实例: 实时监测电极材料的结构变化。拉曼光谱具有高分辨率和非破坏性的特点，可以实时监测电池在充放电过程中的结构变化。例如，通过拉曼光谱分析了锂电池正极材料在不同充放电状态下的结构变化，发现其在特定电位下会发生相变，影响电池的循环性能。拉曼光谱能够提供关于电极材料结构变化的实时信息，帮助理解电池的工作机理，优化电极材料设计，提升电池性能。

图3 激光拉曼光谱仪

新威研选有售！欢迎各位选购！

1.4 X射线光电子能谱仪 (XPS, X-ray Photoelectron Spectrometer)

• 原理: X射线光电子能谱仪通过X射线照射样品，引起样品中的原子内层电子被激发并逸出样品表面。检测器测量这些光电子的动能和数量，从而获得样品的XPS光谱。光电子的动能与其所在的电子能级有关，因此可以用于分析样品的元素组成和化学状态。通过测量样品表面发射的光电子能谱，分析元素的化学态和价态分布。XPS基于光电效应，当样品受到X射线照射时，内层电子被激发并逸出样品表面，形成特征光电子。

• 应用: 用于分析锂电池电极材料的表面化学状态和SEI层组成，研究电极/电解液界面反应。

• 实例: 分析电极材料表面的化学状态。通过XPS，可以确定电极材料中各元素的化学态和价态分布，研究电极/电解液界面的反应行为。例如通过XPS分析了锂电池正极材料在不同充放电状态下的表面化学状态，发现特定电解液成分能够显著减少表面副反应。XPS能够提供关于电极材料表面化学状态的详细信息，帮助优化电解液和电极材料配方，提升电池的稳定性和循环寿命。

1.5 荧光光谱仪 (Fluorescence Spectrometer)

• 原理: 荧光光谱仪测量样品在吸收光能量后发射的荧光光谱。样品分子吸收光子，电子从基态跃迁到激发态，随后电子返回基态时释放出光子（荧光）。检测器记录荧光光子的波长和强度，得到荧光光谱。通过测量样品吸收光子后发射的荧光光谱，分析物质的光致发光特性。荧光光谱常用于研究分子激发态的电子结构和动力学过程。

• 应用: 用于研究锂电池材料的荧光性质，分析电极材料中的缺陷和杂质。

• 实例: 研究电极材料中的缺陷和杂质。荧光光谱能够分析电极材料中的光致发光特性，揭示材料中的缺陷和杂质。例如，通过荧光光谱分析了锂电池负极材料中的缺陷，发现特定掺杂元素能够显著减少缺陷浓度，提升电池的性能。荧光光谱能够提供关于电极材料缺陷和杂质的详细信息，帮助优化材料制备工艺，提升电池的性能和稳定性。

图4 X射线荧光分析仪XGT 9000

新威研选有售！欢迎各位选购！

2. 光谱仪在锂离子电池测试表征中的重要性和意义

2.1 提高电池性能

通过光谱仪的分析，可以深入了解锂电池材料的组成、结构和化学性质，优化电解液和电极材料的配方，提升电池的能量密度、功率密度和循环寿命。例如，通过IR光谱分析SEI层的组成，可以选择合适的电解液添加剂，提高SEI层的稳定性，延长电池的使用寿命。

2.2 保障电池安全性

光谱仪能够检测电池材料和电解液中的副产物和杂质，揭示电池的分解反应和失效机制，帮助预防电池的热失控和安全事故。例如，通过GC-MS分析电解液中的分解产物，可以识别出可能导致电池热失控的化学物质，改进电解液配方，提高电池的安全性。

2.3 深入理解反应机理

光谱仪能够实时监测电池在充放电过程中的化学反应和结构变化，揭示锂离子在电极材料中的迁移机制和反应机理，帮助开发新型电池材料和设计高性能电池。例如，通过拉曼光谱实时监测电极材料的结构变化，可以理解锂离子嵌入/脱嵌过程中的相变行为，优化电极材料的设计。

2.4 支持新材料开发

光谱仪能够精确分析新型电池材料的组成和结构，帮助开发具有高性能和高稳定性的电极材料和电解液。例如，通过XPS分析新型电极材料的表面化学状态，可以了解其与电解液的界面反应，优化材料制备工艺，提高材料的性能和稳定性。

3. 光谱仪购买指南

在选择光谱仪时，需考虑以下几个方面：

• 仪器性能: 根据具体的应用需求选择适合的光谱仪类型，如UV-Vis、IR、Raman、XPS或荧光光谱仪。考虑仪器的分辨率、灵敏度、波长范围等性能参数，确保仪器能够满足锂电池测试分析的要求。

• 样品适用性: 选择适合分析锂电池材料和电解液的光谱仪。例如，Raman光谱仪适用于分析电极材料的结构变化，IR光谱仪适用于分析SEI层的组成和结构变化。确保仪器能够兼容所需分析的样品类型。

• 数据处理能力: 光谱分析通常需要复杂的数据处理和分析能力，选择具有先进数据处理软件和分析功能的光谱仪，确保能够准确处理和解释测试数据。

• 仪器稳定性和可靠性: 锂电池测试分析需要高精度和高稳定性的仪器，选择具有良好声誉和质量保证的品牌和型号，确保仪器的长期稳定性和可靠性。

• 售后服务和技术支持: 光谱仪是一种高精密的分析仪器，需要专业的安装、调试和维护服务。选择提供优质售后服务和技术支持的供应商，确保仪器在使用过程中的稳定运行和技术支持。新威研选的售后服务团队以其迅速的响应、专业的技能、友好的态度和全面的服务赢得了客户的广泛赞誉。不仅提供及时的技术支持，还不断根据客户反馈进行服务改进，确保每一位客户都能享受到个性化、透明和高效的服务体验。

4. 结论

光谱仪作为先进的分析工具，在锂离子电池测试分析中发挥了重要作用。它们不仅能够精确分析电池材料和电解液的组成和结构，还能够实时监测电池在充放电过程中的动态变化，揭示电池的反应机理和失效机制。通过综合利用光谱技术，可以实现对锂电池的全面表征，提升电池的性能、寿命和安全性。在选择光谱仪时，需考虑仪器的性能、样品适用性、数据处理能力、稳定性和可靠性，以及售后服务和技术支持。希望本文提供的购买指南能够帮助您选择适合的光谱仪，助力锂电池研发和生产的顺利进行。

新威研选一站式科研采购平台以其丰富的产品线和型号齐全的光谱仪，为客户提供了广泛的选择。我们的产品采用先进技术，操作简便，且价格合理。此外，我们还提供定制服务和专业推荐，确保每位客户都能获得最满意的购买体验。