Revealing battery secrets with ECRaman solutions

Význam tématu

Nickel-metal hydride (NiMH) baterie představují klíčovou technologii pro ekologickou mobilitu a stabilní ukládání energie z obnovitelných zdrojů. S rostoucí poptávkou po elektrických vozidlech a decentralizovaných energetických systémech nabývá hlubší porozumění jejich elektrochemickému chování zásadního významu. Hyphenovaná spektroskopie EC-Raman umožňuje sledovat fyzikálně-chemické změny v reálném čase, což podporuje vývoj výkonnějších a odolnějších bateriových článků.

Cíle a přehled studie

Cílem prezentované aplikace bylo ukázat využití EC-Raman spektroskopie při simulovaném nabíjecím a vybíjecím cyklu NiMH článku. Studie demonstruje postup přípravy elektrody s nanesenou vrstvou hydroxidu nikelnatého, její elektrochemické cyklování a současné snímání Ramanových spekter pro identifikaci oxidačních stavů Ni(OH)2 a NiOOH.

Použitá instrumentace

• Spektrometr i-Raman Prime 532H s video mikroskopem BAC151C a držákem sondy BAC150B
• Potenciostat PGSTAT302N (Metrohm Autolab)
• EC-Raman Flow Cell s Au pracovní elektrodou, Pt drátkovou protielektrodou a Ag/AgCl referencí (RedoxMe)
• 220BT screen-printed elektroda se zlatou pracovní a protielektrodou a stříbrnou referencí (Dropsens)

Použitá metodika

Prvním krokem bylo elektrochemické zdrsnění zlaté pracovní elektrody pomocí opakovaných cyklů chronoamperometrie a lineárních cyklů voltametrie v roztoku KCl. Následovala depozice Ni(OH)2 ve formě tenké vrstvy metodou kronopotenciometrie v roztoku Ni(NO3)2. Finální CV cyklování mezi -0,4 a 1,5 V vs. Ag/AgCl simulovalo vybíjecí a nabíjecí proces. Během těchto kroků bylo kontinuálně zaznamenáváno Ramanovo spektrum s integrací 5 s a plným výkonem laseru.

Hlavní výsledky a diskuse

Elektrochemická charakterizace prokázala reverzibilní přeměnu Ni(OH)2 ⇋ NiOOH s anodickým vrcholem kolem 0,50 V a katodickým cca 0,35 V vs. Ag/AgCl. Ramanova analýza odhalila vznik charakteristických pásů při 476 a 556 cm⁻¹ při oxidaci na NiOOH a jejich ústup při návratu na Ni(OH)2. Porovnání uzavřeného EC-Raman cell a otevřeného 220BT systému ukázalo rozdíly v intenzitě signálu, stabilitě referenční elektrody a vlivu bublinek kyslíku na měření.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost in situ a operando sledování redoxních změn povrchu elektrody.
• Rychlá detekce fáze NiOOH/Ni(OH)2 pro optimalizaci nabíjecích algoritmů.
• Podpora vývoje nových elektrodových materiálů a testování modifikací povrchu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Integrace EC-Raman spektroskopie do výzkumu dalších chemických systémů, například lithium-iontových nebo hybridních baterií, umožní detailnější mapování reakčních mechanismů. Dalším krokem je automatizace analýzy pomocí strojového učení pro rychlou interpretaci komplexních Ramanových dat a rozšíření aplikace na pilotní a průmyslové prostředí.

Závěr

Prezentovaná aplikace demonstruje, jak EC-Raman spektroskopie v kombinaci s elektrochemickým cyklováním poskytuje klíčové informace o redoxních procesech v NiMH systémech. Tato metoda zvyšuje schopnost návrhu efektivnějších bateriových elektrochemických článků a otevírá cestu k pokročilému vývoji ukládání energie.

Reference

1. O’Dea, S. Battery market size worldwide by technology 2018–2030. Statista, 2023.
2. Yeo, B. S.; Bell, A. T. In Situ Raman Study of Nickel Oxide and Gold-Supported Nickel Oxide Catalysts for the Electrochemical Evolution of Oxygen. J. Phys. Chem. C 2012, 116 (15), 8394–8400.
3. Tian, Z.-Q.; Ren, B.; Wu, D.-Y. Surface-Enhanced Raman Scattering: From Noble to Transition Metals and from Rough Surfaces to Ordered Nanostructures. J. Phys. Chem. B 2002, 106 (37), 9463–9483.