Chapter 2 - 鋰電池分析不可或缺的拉曼光譜，拉曼光譜可以做得比你想像的多更多

拉曼光譜可以做得比你想像的多更多

利泓科技光譜技術專員 Green

你可以在本篇部落格得到什麼資訊？

1.拉曼光譜是什麼？

2.拉曼光譜能夠幫助鋰電池分析的主要原因。

3.拉曼光譜在鋰電池的實際應用

拉曼光譜正流行，你知道它的基礎原理嗎？

拉曼光譜可以很簡單地透過上圖來做說明，一道雷射光與分子鍵結產生交互作用之後，分為彈性碰撞與非彈性碰撞，前者的能量與原始光源一致，屬於雷利散射，而牽涉到能量轉移的非彈性碰撞，則是我們關注的拉曼散射。拉曼散射所代表的波峰位置恰好等於鍵結的振動能量，因此我們可透過拉曼光譜來做為分子的指紋圖。

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拉曼光譜之所以流行，在於微量甚至於不需要的樣品前處理，設備構造簡單，只要是分子共價鍵都有機會產生拉曼散射，拉曼光譜目前廣泛的應用於複合材料研究、聚合物開發與生技醫藥等主流領域。

在鋰電池研究盛行之前，拉曼光譜已經幫助了許多研究石墨烯的科學家了。

過去拉曼光譜開始受人注目的其中一個原因是因為石墨烯這個材料的發現，經過一系列的研究與其他分析技術的結合，石墨烯在拉曼光譜上特定的G-band、D-band與2D-band，可以簡單地透過拉曼光譜來了解石墨烯的改質與多層奈米碳管的層數。這是因為拉曼光譜對於碳、碳鍵結相當靈敏。在這之後因為碳材料環保、導電性與取得容易等特性，逐漸成為現今商用鋰電池的負極材料之一。

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拉曼光譜儀應用於鋰電池材料開發與失效原因研究

(圖片出處：https://www.samsungsdi.com/column/technology/detail/55272.html?listType=gallery)

鋰電池發展至今，正極材料主要為鋰氧化物，負極材料多半以碳材料組成，以及以超分子聚合物為主固態電解質為主。而拉曼光譜剛好可以應用於這三大主要元件的新材料開發以及隨著商品化之後失效分析。

點我下載Raman在鋰電池正極、負極與電解質研究的應用文件。

一個典型的例子，拉曼影像系統提供使用者有關樣品的化學影像資訊，針對開發中的電池，以in-situ的配件，將組裝好的電池在工作條件(電壓、電流)下進行充電與放電(圖1)，觀察其材質的變化，例如：觀察鋰電池放電的時候，負極石墨層受鋰化(lithiation)的程度(圖2)。

圖1：in-situ配件

圖2：鋰化程度的化學影像

對於失效或是爆炸之後的電池，我們可以利用ex-situ配件(圖3)在惰性環境下將切割好的電池元件封入配件之中，在以拉曼影像系統分析(圖4)，比較對照品與不良品的分析結果來尋找可能的原因。

圖3：ex-situ配件組裝與結構圖

圖4：電池元件切面化學影像

延伸閱讀：如何取得高品質的拉曼光譜？