微分电化学质谱（DEMS）在电池研究中的应用与检测分析

微分电化学质谱（DEMS）在电池研究中的应用与检测分析

微分电化学质谱（Differential Electrochemical Mass Spectrometry, DEMS）是一种结合电化学与质谱技术的原位表征方法，能够实时监测电化学反应过程中产生的气态或挥发性产物。在电池研究中，DEMS 被广泛应用于分析电极反应机理、电解液分解、气体析出及电池失效机制等。以下是DEMS 的工作原理、在锂离子电池、锂硫电池、固态电池等体系中的应用。

DEMS

DEMS 的工作原理

DEMS 系统主要由电化学测试单元（如电池测试池）和质谱检测器（通常采用四极杆质谱或飞行时间质谱）组成。其核心特点包括：

原位检测：在电化学反应过程中实时监测气体或挥发性产物的生成与消耗。

高灵敏度：可检测 ppm 甚至 ppb 级别的气体分子（如 H₂、O₂、CO₂、CH₄ 等）。

时间分辨能力：结合电化学信号（如电流、电压）与质谱信号，可关联反应动力学与产物演化。

DEMS 测试池通常采用特殊设计，确保气体产物能快速传输至质谱仪，同时避免空气干扰。

DEMS 在电池研究中的应用

（1）锂离子电池

正极材料研究：

监测高电压下电解液的氧化分解（如碳酸酯类溶剂分解产生 CO₂、C₂H₄ 等）。

分析层状氧化物（如 NCM、NCA）或富锂锰基材料在充放电过程中的氧析出（O₂）。

负极材料研究：

研究石墨或硅负极的固体电解质界面（SEI）形成过程，检测 H₂、C₂H₄ 等副产物。

分析锂枝晶生长伴随的 H₂ 释放（来自电解液还原）。

（2）锂硫（Li-S）电池

检测多硫化物的穿梭效应，如 S₈、Li₂Sₓ（x=2~8）的挥发性物种。

研究电解液添加剂对多硫化物转化的影响。

（3）固态电池

分析固态电解质（如 LLZO、LGPS）与电极界面的副反应，如 H₂S、SO₂ 的释放。

研究锂金属负极与固态电解质的相容性。

（4）其他电池体系

钠离子电池：检测电解液分解气体（如 NaPF₆ 分解产生的 PF₅、HF）。

锂氧（Li-O₂）电池：实时监测 O₂ 的消耗与生成，揭示充放电机制。

DEMS 可检测的关键参数

气体析出行为：如 H₂、O₂、CO₂、CH₄ 等，用于评估电解液稳定性。

反应中间体：如 Li-S 电池中的多硫化物（S₃⁻·、S₄²⁻ 等）。

副反应动力学：通过质谱信号强度与电化学电流的关联，计算法拉第效率。

热失控预警：检测电池过热时的气体释放（如 CO、C₂H₄ 等可燃气体）。

DEMS 技术在电池研究中具有不可替代的优势，尤其在解析复杂反应机理、优化电解液配方、提高电池安全性等方面发挥重要作用。随着原位表征技术的发展，DEMS 可能进一步结合红外光谱、拉曼光谱等多模态分析手段，为新型电池体系的设计提供更全面的数据支持。

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