使用红外光谱仪对锂离子电池隔膜进行材料鉴定

前言锂离子电池 (LIBs) 已成为一系列应用（包括电动汽车、便携式电子产品和可再生能源储存系统）中电源。LIBs 由四个主要组件（正极、负极、隔膜和电解液）组成，需要对所有电池原料和组件进行严格的质量控制 (QC)，以确保安全性、性能和耐久性。LIBs 的一个关键组件是隔膜 ― 一种物理分离负极和正极的多孔薄膜。该组件可防止电极直接接触、避免潜在短路和热失控，对于电池安全性和性能发挥着至关重要的作用。隔膜也有利于充放电过程中离子在电极间流动。

聚合物材料（例如聚乙烯 (PE) 或聚丙烯 (PP)）通常用于制造LIB 隔膜。选择这些材料是因为它们具有稳定的机械强度与化学稳定性，同时能够使离子在电极之间流动。研究证明，傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱法能够通过材料的不同 FTIR 光谱将其区分开来，非常适合用于聚合物分析[1]。本研究的重点集中在使用 Agilent Cary 630 FTIR 光谱仪对 LIB隔膜进行材料鉴定，并考察该光谱仪在 LIB 组件中所用盐和溶剂的 QC 检测中的作用[2,3]。由于仪器采用超紧凑的设计，如有必要，可以在手套箱内湿度受控的环境中进行潜在有害物质的分析[1]。Cary 630 FTIR 还广泛应用于推动和改进电池材料的研发活动中[4]。

实验部分仪器利用配备单反射钻石晶体衰减全反射 (ATR) 采样头的 AgilentCary 630 FTIR，快速、简便地实现新的和废旧 LIB 隔膜的材料鉴定 (ID)（图 1）。

结果与讨论使用相似度算法搜索用户生成的内部光谱库，发现这两种隔膜均以在 0.90–0.99（绿色）的置信度阈值范围内的高匹配质量指数 (HQI) 得到鉴定。新隔膜被鉴定为聚丙烯，HQI 为 0.94064 (PP)（图 3A）。HQI反映出隔膜具有多层结构，与用于生成库光谱的标准物质相比，可能包含 PP 添加剂。然而，可以利用更加匹配的标准物质改善 HQI，使用 MicroLab 软件在几秒钟内更新或创建光谱库。可以在创建时或其他任意时间点，直接从结果界面向谱库中添加谱图。

废旧隔膜材料被鉴定为聚乙烯 (PE)，HQI 为 0.92274（图 3B）。如图 4 所示，来自其他 LIB 组件的污染物可能对 HQI 结果产生影响。针对每个谱库条目，软件会自动计算 HQI，该值表示实测光谱与谱库谱图的匹配程度。在基于 HQI 阈值设置的材料鉴定和确认工作流程中，结果通常以符合/不符合标准的方式进行解读，这些设置在 MicroLab 软件中可以由用户进行调整。在本研究中，将 HQI 高于 0.90 的结果用绿色编码。

对结果进行颜色标记使 Cary 630 FTIR 系统成为一种简便易用的一站式解决方案，有助于快速做出决策。样品测量完成后，MicroLab 软件会在屏幕上直接显示最终结果，无需用户进行任何输入。图 4. 在精简视图中显示的废旧 LIB 隔膜（红色迹线）和谱库匹配结果（蓝色迹线）的叠加谱图。通过 Agilent MicroLab 软件中的波数比例因子能够更详细地查看目标光谱范围。用于突出显示顶部光谱区域的黑框表示来自其他 LIB 组件的潜在污染物该软件自动执行谱库搜索，并向操作人员提供最终的用颜色标记的结果，从而降低分析的复杂性，并为材料的鉴定结果提供可信度。

结论Agilent Cary 630 FTIR 光谱仪和 Agilent MicroLab 软件为新的和废旧锂离子电池隔膜快速提供了准确的材料鉴定结果。在 MicroLab 软件中使用现有的用户生成的聚合物光谱库，使Cary 630 FTIR 能够将两个隔膜样品分别鉴定为聚丙烯和聚乙烯。通过在谱库中添加更具有代表性的参比光谱，可进一步提高结果的置信度。可以在 MicroLab 软件中轻松维护和管理光谱库，并可以在几秒内新建谱库。MicroLab 软件根据 HQI 对新的和废旧隔膜样品的鉴定结果进行颜色标记，从而能够快速、轻松地审查数据的质量。两个样品均以高置信度得到鉴定。本研究表明，配备 ATR 采样附件的 Cary 630 FTIR 可有效用于根据 LIB 制造商的要求对材料进行 QC 检测。该方法也适用于致力开发或改进电池材料的研发团队。