首頁利泓專欄拉曼(Raman)/FTIR/NIR應用文章鋰硫電池新突破：Time Series Raman 如何揭露 SPAN 的穩定能量之謎

鋰硫電池新突破：Time Series Raman 如何揭露 SPAN 的穩定能量之謎

作者利泓科技

日期2025-11-11

分類

拉曼(Raman)/FTIR/NIR應用文章

鋰硫電池(Li–S battery)以高能量密度著稱，被視為下一代儲能系統的重要候選技術。然而，在真正走向實際應用之前，仍有一個關鍵瓶頸必須克服：穿梭效應(shuttle effect)與由此帶來的循環壽命問題。

近年來，硫化聚丙烯腈(SPAN, Sulfurized Polyacrylonitrile)因具備 shuttle-free 特性與優異循環穩定性，逐漸成為取代傳統硫正極的潛力材料。本篇文章將介紹 SPAN 在鋰硫電池中的優勢，並說明如何藉由Raman與Time Series Raman這類光譜工具，動態且定量地確認SPAN的反應機制。

傳統鋰硫電池的瓶頸：SPAN 結構設計給出新解答

鋰硫電池雖擁有極高的能量密度潛力，但在實際應用中始終受限於「穿梭效應（shuttle effect）」所帶來的穩定性問題。當硫在充放電過程中生成可溶性的多硫化鋰(Li₂Sₓ)時，這些中間產物會在電解液中擴散並與鋰負極反應，導致容量快速衰退、庫倫效率下降，甚至縮短電池壽命。同時，硫本身的導電性差與體積變化大，也使傳統硫正極難以兼顧高能量密度與長壽命。

為了解決這些問題，硫化聚丙烯腈(SPAN, Sulfurized Polyacrylonitrile)應運而生。其設計核心是將硫以共價鍵形式穩定地嵌入PAN骨架中，避免可溶性多硫化物生成。這使SPAN天然具備shuttle-free特性，大幅減少穿梭效應的發生，並在長時間循環下維持穩定的容量與庫倫效率。

在電化學反應上，SPAN的放電行為呈現單一平台(~1.7 V)，避免傳統硫正極的固–液–固多階段轉變，使反應更簡單且可逆性更高。更重要的是，SPAN與碳酸酯基電解液相容，能同時兼顧能量密度、穩定性與系統整合性，成為新一代鋰硫電池最具潛力的正極材料。

從 Raman 到 Time Series Raman：讓反應變成「可視化的故事」

在研究SPAN的反應機制時，Raman 光譜能直接追蹤材料中C–S、N–S鍵的斷裂與重組。與傳統硫正極不同，SPAN的Raman光譜中不出現典型多硫化物特徵峰，這正是shuttle-free行機制最直接的證明。此外，Raman也能觀察PAN骨架的band shift，揭示其在充放電過程中的電子結構變化。

然而，傳統Raman屬於「靜態取樣」：僅在特定電壓點量測，容易錯過短暫的關鍵變化。Time Series Raman 則能在整個充放電過程中持續收譜，將反應過程轉化為「時間–波數–強度」的三維資料。研究者可即時觀察特徵峰的生成與消失，並與電壓曲線同步對照，完整重現反應歷程。

透過這樣的連續觀測，我們能更精確理解SPAN的shuttle-free機制，並以3D光譜圖與動態曲線視覺化呈現反應過程。Thermo DXR Raman內建的Time Series模組更可自動化實驗流程，避免重複量測與後處理負擔，提升研究效率與資料完整性。

光譜

Time Series Raman 實測：揭示 SPAN 可逆反應的真實路徑

為了進一步驗證SPAN在充放電過程中的shuttle-free行為，我們以Time Series Raman進行了完整的動態觀測實驗。

實驗中，SPAN電極被安裝於電動載台上，並在Thermo DXR Raman系統下與電化學測試平台同步運作，確保拉曼光譜與電壓信號能在相同時間軸上精準對應。放電階段中，研究人員觀察到中低波數區域(如 400–700 cm⁻¹)中與 C–S、S–S 鍵相關的特徵峰逐漸出現並增強，代表 SPAN 中的共價C–S鍵開始被還原，形成Li–S鍵結。當回充階段啟動後，這些特徵峰強度逐漸減弱甚至消失，顯示結構重新回復至初始狀態。這一系列光譜變化與電壓曲線完美對應，清楚勾勒出C–S均裂 → Li–S 生成 → C–S重組的可逆反應路徑。

在軟體中將時間、波數與光譜強度轉換為 3D Raman 圖後，可明顯看到峰位在放電與回充間的遞移與變化；這種即時動態視覺化，不僅提供更直觀的 shuttle-free 證據，也讓研究者能準確辨識反應的臨界時刻與結構重整過程。

●不同時間段Raman光譜及3D光譜圖

與傳統僅能「點對點」量測的Raman測試相比，Time Series Raman的連續性與穩定性讓資料不再片段化。研究者能一眼看到整個反應過程的連續軌跡，而不需再依靠多次ex-situ取樣或資料拼接，極大提升了實驗效率與結果可信度。

因此，Time Series Raman不僅是一項量測技術，更是一種「讓反應過程成為完整影片」的觀測思維，幫助研究者從動態角度重新理解材料行為。Thermo DXR Raman 以其穩定的光學平台與長時間訊號重現性，確保整個放電至回充過程能被真實、連續地捕捉下來，為 shuttle-free 機制提供最具說服力的實驗依據。