原位微分電化學(xué)質(zhì)譜儀（鋰離子電池，金屬空氣電池）

微分電化學(xué)質(zhì)譜（DEMS）作為一種電化學(xué)原位研究技術(shù)，能定性和定量分析電池運(yùn)行過程中產(chǎn)生/消耗的氣體。是研究電池的反應(yīng)機(jī)理、SEI 膜形成、電解液和電極穩(wěn)定性等重要研究工具之一。

鋰-空氣電池中的電化學(xué)反應(yīng)是鋰和氧氣的轉(zhuǎn)換反應(yīng)，鋰-空氣電池在工作時(shí)消耗氧氣和釋放氧氣，當(dāng)存在副反應(yīng)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生 H₂ 和 CO₂等，微分電化學(xué)質(zhì)譜儀是研究Li-O₂ 電池可逆性 重要的工具之一。鋰-離子電池在SEI膜形成，電解液分解過程中產(chǎn)生各種氣體，如 H₂，CO，CO₂，乙烯等?；?span style="font-family: arial, helvetica, sans-serif;">Head space分析技術(shù)，結(jié)合電化學(xué)循環(huán)伏安或恒流充放電技，定性定量分析溢出氣體。

   圖1  電池模具示意圖

   圖2  微分電化學(xué)質(zhì)譜儀實(shí)物圖

二．應(yīng)用案例

圖3：DEMS profiles of cells with (a) DME, (b) DOL, (c) TEGDME and (d)

HMD based electrolytes during charge process.Angew. Chem. Int. Ed.2019,58,2345-2349.

圖4：In-situdifferential electrochemical mass spectrometry (DEMS) analysis of gaseous products by a Sn//Li half-cell, and LixSn//Li half-cell by in-situ DEMS. 

Energy Environ. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C9EE01404G

圖5：Differentialelectrochemical mass spectrometry result of the NVPF//Sn full cell. DEMS result of the NVPF//Na?Snalloy full cell.

ACS Appl. Mater. Interfaces2019112623207-23212

三．儀器組成

1. 載氣系統(tǒng)

高精度質(zhì)量流量計(jì)，氣體純化系統(tǒng)，低溫冷井，不銹鋼三通閥門管路等。

2. 電化學(xué)測試池

Swagelok電化學(xué)測試池，可用于鋰電池和鋰空氣電池測試。

3. 進(jìn)樣系統(tǒng)

加熱毛細(xì)管進(jìn)樣，進(jìn)樣壓力和進(jìn)樣量可調(diào)節(jié)。

4. 真空系統(tǒng)

內(nèi)置渦輪分子泵加無油的干泵前級泵。

5. 離子源

電子轟擊離子源，通過電子碰撞/轟擊，使樣品分子在高真空的條件下離子化。樣品中的分子被離子源中電子撞擊后電離成質(zhì)量數(shù)小的離子和中性粒子，進(jìn)入到質(zhì)量分析器中。

6. 質(zhì)量分析器

四極桿原理質(zhì)量分析器，連續(xù)全掃描模式或選擇離子掃描模式。

7. 檢測器

法拉第杯檢測器和電子倍增器（用于較弱信號的檢測，速度快，靈敏度非常高，終生免更換）

四.主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）質(zhì)量數(shù)范圍：1-100 amu

（2）EI電子轟擊電離源，離子源能量可調(diào)節(jié),10-140 eV

（3）最小檢測分壓：1×10-14 mbar

（4）檢測限：小于1 ppm

（5）檢測器：法拉第杯和電子倍增器雙檢測

（6）雙燈絲設(shè)計(jì)，一用一備，燈絲材質(zhì)：Y₂O₃/Ir

（7）快速掃描速度：2 ms/amu

（8）獨(dú)立的旁路真空系統(tǒng)，采用微調(diào)閥調(diào)節(jié)，進(jìn)樣壓力可調(diào)節(jié)

（9）渦輪分子泵和干泵前級泵，質(zhì)譜室工作真空度：小于 1 × 10^-5 mbar

（10）氣體采樣管外部加熱套溫控范圍：RT-200 ℃

（11）真空測量：皮拉尼冷陰極復(fù)合真空規(guī)。