新方法可实时监测电池中的电解质演变过程

现在，对高性能、稳定、长寿命电池的需求日益增长。为了持续改进电池技术，在真实的操作条件下持续监测电池内部的动态化学，有助于发现潜在的问题并充分提高电池性能。据外媒报道，法兰西学院(Collège de France)、法国电化学储能研究网络(RS2E)和雷恩大学(CNRS)的研究人员开发了一种方法，可在真实工作条件下实时监测钠离子和锂离子电池电芯中的电解质演变过程。该方法基于操作式红外光纤倏逝波光谱(operando infrared fiber evanescent wave spectroscopy)测量技术。

研究人员Jean Marie Tarascon表示：“电池是一种电化学装置，可进行化学储能。寄生反应(如电解质降解)有助于改善或降低电池性能。因此，推进操作技术边界，监测复杂的化学过程，具有重要意义。”

在之前的研究中，Tarascon及其同事发现了一种策略，可在“正常”工作条件下测量电池电芯的温度和压力。该策略包括将嵌入光纤布拉格光栅(FBG)传感器的单模二氧化硅光纤(即在短距离内周期性调制二氧化硅纤维的折射率)插入电池。Tarascon表示：“通过这种方法，可以估算与电解质部分分解和固体电解质界面膜(SEI)形成相关的能量。SEI是在电池电极上形成的离子导电和电子绝缘层。然而，研究人员未能确定该过程涉及的化学物类，因为该测量方法未涉及光纤的化学环境。”

这种监测电芯内电解质变化的策略，基于放置在电池内的硫系玻璃光纤中的红外光传输。这种红外光与电池成分相互作用，使研究人员能够识别和跟踪光纤周围的化学分子。Tarascon表示：“通过这种方法，可以观察到电解质的演变，以及根据电荷状态在电极中插入/取出钠锂离子的过程。借助这一系统，研究人员还能观察电解质和负极材料之间的SEI。该层体既具有离子导电性，又具有电子绝缘性，决定了电池的续航时间。”

通过这种方法，研究人员可以更好地了解特定电池内部发生的化学过程，及其如何随着时间的推移而演变。除了观察电解质(即电池内含有离子并可被电解分解的物质)的演变，该策略还可用于跟踪与SEI成核和生长相关的化学物类。SEI形成于电池充电的第一步。Tarascon表示：“目前，为了找到理想的SEI选项，提高电池的寿命，需要很长的时间来优化电解质和方案。采用新设计的方法，可以快速准确地看到电池配方中的每一种元素是如何演变的，及其如何与其他元素相互作用，并影响电池性能。”

该团队提出的新方法，未来可能有助于简化和改进电池技术设计。与此同时，研究人员计划，继续改进测量策略并开发新的策略，以收集更多关于SEI层的信息。Tarascon表示：“除了揭示寄生电解质降解过程中的相关化学物类，这种分析方法还对插入过程和在循环过程中电芯内的Na(Li)储量进行了探讨。此外，监测SEI成核和循环生长等过程的可行性，将有助于开发更好的老化模型，从而帮助开发更先进的电池管理系统。这种操作技术也可以应用于其他储能设备(如燃料电池和超级电容器)。”