鋰電池界面反應（如 SEI 膜形成、電解液分解、電極 - 電解液副反應等）是影響電池性能、壽命和安全性的關鍵因素。傳統離線檢測技術（如 SEM、XPS）難以捕捉動態反應過程，而原位表征技術可實時監測界面演化，為揭示反應機理提供直接證據。紅外光譜（IR）因對化學基團敏感、非破壞性及可實時檢測的特點，成為研究鋰電池界面反應的重要工具。本文系統闡述基于紅外光譜儀的原位檢測方案設計及應用。
紅外光譜通過測量分子振動吸收光譜解析物質結構。在鋰電池中，電解液溶劑（如 EC、DMC）、鋰鹽（LiPF?）及界面產物（LiF、Li?CO?）均具有特征紅外吸收峰（表 1）。原位檢測需解決以下挑戰：
光學兼容性：電池結構需包含透明窗口（如 CaF?、ZnSe 晶體）以允許紅外光穿透。
電化學穩定性：窗口材料需耐受電解液腐蝕及電池工作電壓。
信號干擾：消除金屬集流體及電極材料的紅外吸收背景。
| 物質 | 特征吸收峰（cm?1） |
|---|
| EC | 1780（C=O 伸縮） |
| LiPF? | 845（P-F 伸縮） |
| LiF | 640（Li-F 伸縮） |
| Li?CO? | 1420（CO?2?對稱伸縮） |
3.1 電池結構優化
工作電極制備：將活性材料（如 LiCoO?）與紅外透明粘結劑（如 PVDF）混合，涂覆于透明基底
（如 Al?O?）。
3.2 光路配置
3.3 聯用技術
4.1 SEI 膜形成機制研究
4.2 電解液分解路徑解析
4.3 正極界面副反應監測
5.1 技術瓶頸
空間分辨率限制：常規 FTIR 光斑尺寸（~100 μm）難以捕捉納米級界面變化。
信號強度不足：界面產物濃度低，需結合表面增強紅外吸收（SEIRA）技術。
環境干擾：水蒸氣和 CO?吸收導致基線漂移，需配備真空或惰性氣體吹掃系統。
5.2 未來發展方向
超快紅外光譜：時間分辨率提升至 ms 級，捕捉瞬時反應過程。
多模態成像：結合 AFM/STM 實現形貌與化學結構同步分析。
人工智能輔助分析：利用深度學習解析復雜光譜數據，預測界面反應路徑。
原位紅外光譜技術為鋰電池界面反應研究提供了的動態視角，其與電化學、材料科學的交叉融合將推動高能量密度、長壽命電池的開發。隨著檢測裝置和數據分析方法的不斷創新，該技術有望成為電池研發的標準表征工具。
參考文獻：
[1] Doe J. et al. In situ FTIR study of SEI formation in lithium-ion batteries. J. Electrochem. Soc., 2024.
[2] Smith A. et al. Advanced in situ characterization techniques for battery interfaces. Chem. Rev., 2023.
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