原位电化学表征原理、方法及应用

第1章电化学原位X射线技术1

1.1原位X射线衍射1

1.1.1原理与实验装置2

1.1.2观察循环过程中的结构和形态演变7

1.2原位X射线光电子能谱8

1.2.1原理与实验装置8

1.2.2观察电极界面反应9

1.3原位X射线荧光显微镜12

1.3.1基本原理12

1.3.2观察硫和多硫化物的分布13

1.4原位X射线反射14

1.4.1原理与实验装置15

1.4.2观察金属硅化物薄膜界面的锂化16

1.5原位X射线断层扫描19

1.5.1原理与实验装置19

1.5.2观察锂化过程中的形态演变和化学成分的变化21

1.6原位X射线吸收光谱22

1.6.1原理与实验装置23

1.6.2观察化学成分变化引起容量衰减24

1.6.3区别各种氧化态24

1.6.4筛选多功能黏合剂26

1.7原位X射线拉曼散射26

1.7.1原理与实验装置27

1.7.2观察石墨电极电子结构变化28



第2章电化学原位傅里叶红外光谱31

2.1原位傅里叶变换红外光谱31

2.1.1原理与实验装置32

2.1.2观察薄膜电极动态行为33

2.1.3研究初始充电过程中的溶剂化/去溶剂化34

2.1.4研究添加剂的还原34

2.2原位显微镜傅里叶变换红外反射光谱38

2.2.1原理与实验装置39

2.2.2研究电解液还原产物40

2.3原位偏振调制傅里叶变换红外光谱43

2.3.1原理与实验装置43

2.3.2研究非水电解质在LiCoO2薄膜电极上的电化学氧化行为45



第3章电化学原位磁共振技术47

3.1原位核磁共振波谱47

3.1.1原理与实验装置47

3.1.2对锂微结构生长的量化分析49

3.2磁共振成像52

3.2.1原理与实验装置52

3.2.2实时识别枝晶生长位置55

3.3电子顺磁共振波谱58

3.3.1原理与实验装置58

3.3.2研究循环过程中自由基氧物种的形成过程59

3.4穆斯堡尔光谱技术64

3.4.1原理与实验装置64

3.4.2研究电子环境对材料结构的影响66



第4章电化学原位光学技术67

4.1光学显微镜67

4.1.1原理与实验装置67

4.1.2观察锂枝晶的生长70

4.2多光束光学应力传感器76

4.2.1原理与实验装置76

4.2.2实时应力评估77



第5章电化学原位拉曼光谱78

5.1原理与实验装置78

5.2评估循环过程中产生的应力79

5.3观察SEI的形成和组成79

5.4判断活性材料对电化学过程的贡献程度以及断开粒子的确切位置82



第6章电化学原位紫外-可见光谱84

6.1原理与实验装置84

6.2观察多硫化物的浓度85



第7章电化学原位扫描探针技术91

7.1原位原子力显微镜91

7.1.1原理与实验装置91

7.1.2在锂离子电池负极材料研究中的应用92

7.1.3在锂离子电池正极材料研究中的应用92

7.1.4在固体电解质界面膜（SEI）中的应用93

7.2原位导电原子力显微镜94

7.2.1原理与实验装置94

7.2.2研究锂离子在正极材料中的扩散95

7.3原位电化学应变显微镜97

7.3.1原理与实验装置97

7.3.2表征锂离子嵌入和脱出的局部电迁移98

7.4原位扫描离子电导显微镜99

7.4.1原理与实验装置99

7.4.2测量锡和硅电极表面结构的空间不均匀性99

7.5原位扫描隧道显微镜100

7.5.1原理与实验装置100

7.5.2研究电极电导率的变化101

7.6原位探针力显微镜102

7.6.1原理与实验装置102

7.6.2研究锂离子在石墨负极的分布103

7.7原位扫描电化学显微镜104

7.7.1原理与实验装置104

7.7.2研究锂离子电池中硅电极的表面反应性106

7.8扫描电化学电池显微镜109

7.8.1原理与实验装置109

7.8.2研究复合电极电化学特性110



第8章电化学原位电子分析技术112

8.1原位扫描电子显微镜112

8.1.1原理与实验装置113

8.1.2观察在使用固态电解质的电池中锂的沉积/溶解机制113

8.2原位透射电子显微镜116

8.2.1原理116

8.2.2观察金属锂的电化学沉积动力学117



第9章电化学原位中子技术119

9.1原位中子衍射119

9.1.1原理与实验装置119

9.1.2研究Li2MnO3·LiMO2（M=Ni、Co、Mn）复合正极的容量衰减机理120

9.2原位中子反射125

9.2.1原理与实验装置125

9.2.2分析晶体硅的锂化126

9.2.3观察SEI顶部的锂枝晶层及其粗糙度132

9.3原位中子深度剖面134

9.3.1原理与实验装置134

9.3.2观测非平衡条件下锂离子在电极中的分布状况134

9.4原位中子散射137

9.4.1原理与实验137

9.4.2研究电极材料电化学反应过程中相和体积的变化138

9.5原位中子照相/层析成像140

9.5.1原理与实验装置140

9.5.2原位中子照相/层析成像技术的应用141



第10章电化学原位重量分析技术144

10.1原位电化学石英晶体微天平144

10.1.1测试原理144

10.1.2EQCMD用于研究电极表面的界面反应145

10.2原位二次离子质谱法147

10.2.1原理与实验装置147

10.2.2原位SIMS实时监测电解液中分子的动态变化147

10.3原位差示电化学质谱法150

10.3.1原理与实验装置150

10.3.2原位差示电化学质谱法在电池表征中的应用151



第11章其他电化学原位技术154

11.1原位声发射技术154

11.1.1原理与实验装置154

11.1.2原位声发射技术的应用155

11.2原位电化学膨胀技术159

11.2.1原位电化学膨胀技术原理159

11.2.2原位电化学膨胀技术的应用159



参考文献163