Advancing Research of Lithium-Ion Batteries Using the Agilent Cary 630 FTIR Spectrometer

Význam tématu

Výzkum lithium-iontových baterií (LIB) má zásadní význam pro rozvoj elektromobility, skladování energie a snižování emisí skleníkových plynů. Zlepšení výkonu, bezpečnosti a nákladové efektivity LIB přispívá k širšímu nasazení obnovitelných zdrojů a ke globálním cílům v oblasti energetické udržitelnosti.

Cíle a přehled studie

Cílem přehledu je ukázat, jak benchtop FTIR spektrometr Agilent Cary 630 podporuje charakterizaci klíčových materiálů a komponent LIB. White paper prezentuje příklady z řady publikací, kde výzkumné skupiny využily Cary 630 pro analýzu anody, katody, elektrolytu i separátorů.

Použitá metodika a instrumentace

Spektroskopie v infračervené oblasti (FTIR) poskytuje strukturové informace o funkčních skupinách v polymerech, uhlíkových materiálech a elektrolytech. Klíčové postupy zahrnují:

• Spektrální akvizici v rozsahu LIB relevantních vibrací (např. 3 429 cm⁻¹ pro –OH, 2 075 a 2 012 cm⁻¹ pro C≡N).
• Kvantitativní stanovení koncentrace solí (LiPF₆) a rozpouštědel s využitím knihovny spekter a strojového učení.
• Monitorování termické úpravy a odstraňování C–OH skupin v modelech grafenových oxidů.
• Měření polymerních vrstev a polyesterových elektrolytů pomocí ATR modulů.

Instrumentace:

• Agilent Cary 630 FTIR spektrometr (ultra-kompaktní provedení, robustní optomechanika).
• MicroLab software s grafickým průvodcem a automatickým rozpoznáním příslušných vzorkovacích modulů.
• Vyměnitelné sampling moduly (ATR diamantový, Ge-ATR, přímá analýza filmů).
• Možnost instalace v gloveboxu s kontrolou vlhkosti a kyslíku pro citlivé elektrolytické vzorky.
• Pokročilý software MicroLab Expert pro pokročilé zpracování a vizualizaci spekter.

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza vybraných studií přinesla tyto poznatky:

• Grafenové oxidy vytvořené mikroskopickou metodou vykazují vertikální uspořádání a zvýšenou pórovitost, což FTIR potvrdil poklesem pásu C–OH.
• Lithiace molekul magneto-ionických materiálů vedla k posunu a vzniku nových FTIR pásů C≡N, umožňujících sledovat stav nabití.
• Kompozity Co–Sn/N-dopingem pro anody vykazují stabilní strukturu, FTIR identifikoval charakteristické kov-organické vazby.
• Polymerové povlaky na Al fóliích selektivně absorbují CO₂, sledovány změny epoxidových skupin.
• Polymerní povrchový grafting na Li₄Ti₅O₁₂ ukázal homogenitu a přítomnost –CH₂–CH pásů.
• Metody FTIR + strojové učení umožňují rychlé stanovení složení elektrolytů (LiPF₆, EC, EMC, DMC, DEC) s přesností srovnatelnou s ICP-OES.
• 2D grafenové oxidy v polymerních elektrolytech výrazně zvýšily iontovou vodivost a mechanickou pevnost.

Přínosy a praktické využití metody

Benchtop FTIR Cary 630 nabízí:

• Rychlou a spolehlivou identifikaci neznámých složek v LIB materiálech.
• Kvantitativní analýzu koncentrací solí bez nutnosti složité přípravy vzorku.
• Minimální potřebu školení uživatelů díky intuitivnímu softwaru a obrazové navigaci.
• Modulární přizpůsobení pro různé typy vzorků (tekutiny, filmy, pevné materiály).
• Snadnou integraci do gloveboxu pro citlivé elektrolyty.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další směřování aplikace FTIR v LIB výzkumu:

• Prohloubení integrace strojového učení pro pokročilou chemickou analýzu a predikci parametrů baterií.
• Vyšší throughput díky automatizovaným vzorkovacím modulům a robotizaci.
• Vývoj nových ATR materiálů pro širší spektroskopický rozsah a citlivost.
• Širší využití v online monitorování výrobních procesů a kvalitativní kontrole v průmyslu.

Závěr

Agilent Cary 630 FTIR spektrometr se ukázal jako univerzální a spolehlivý nástroj pro charakterizaci materiálů spojených s lithium-iontovými bateriemi. Kombinace intuitivního softwaru, modulárního designu a schopností kvantitativní analýzy podporuje výzkum i vývoj nových materiálů a technologií pro budoucí generace baterií.

Reference

1. Masias A.; Marcicki J.; Paxton W. A. Opportunities and Challenges of Lithium Ion Batteries in Automotive Applications, ACS Energy Letters 2021, 6(2), 621–630.
2. Liu Y. et al. Highly Aligned Graphene Oxide for Lithium Storage … Adv. Mater. Interfaces 2023, 10, 2201612.
3. Hu Y. et al. Lithiating Magneto-Ionics in a Rechargeable Battery, PNAS 2022, 119(25):e2122866119.
4. Ashraf S. et al. ZIF 67 Derived Co–Sn Composites with N-doped Nanoporous Carbon … Mater. Chem. Phys. 2021, 270, 124824.
5. Daigle J.-C. et al. Novel Polymer Coating for Chemically Absorbing CO2 … Sci. Rep. 2020, 10(1), 10305.
6. Daigle J.-C. et al. A Versatile Method for Grafting Polymers onto Li4Ti5O12 … J. Power Sources 2019, 421, 116–123.
7. Ellis L. D. et al. A New Method for Determining the Concentration of Electrolyte Components … J. Electrochem. Soc. 2018, 165, A256.
8. Yuan M. et al. High Performance Solid Polymer Electrolyte with Graphene Oxide Nanosheets, RSC Adv. 2014, 4, 59637.
9. Buteau S. et al. User-Friendly Freeware for Determining the Concentration of Electrolyte Components … J. Electrochem. Soc. 2019, 166, A3102.