原位微分電化學質譜儀（鋰離子電池，金屬空氣電池）

微分電化學質譜（DEMS）作為一種電化學原位研究技術，能定性和定量分析電池運行過程中產生/消耗的氣體。是研究電池的反應機理、SEI 膜形成、電解液和電極穩定性等重要研究工具之一。

鋰-空氣電池中的電化學反應是鋰和氧氣的轉換反應，鋰-空氣電池在工作時消耗氧氣和釋放氧氣，當存在副反應時，也會產生 H₂ 和 CO₂等，微分電化學質譜儀是研究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生各種氣體，如 H₂，CO，CO₂，乙烯等。基于Head space分析技術，結合電化學循環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  微分電化學質譜儀實物圖

二．應用案例

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

高精度質量流量計，氣體純化系統，低溫冷井，不銹鋼三通閥門管路等。

2. 電化學測試池

Swagelok電化學測試池，可用于鋰電池和鋰空氣電池測試。

3. 進樣系統

加熱毛細管進樣，進樣壓力和進樣量可調節。

4. 真空系統

內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量數小的離子和中性粒子，進入到質量分析器中。

6. 質量分析器

四極桿原理質量分析器，連續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.主要技術參數如下：

（1）質量數范圍：1-100 amu

（2）EI電子轟擊電離源，離子源能量可調節,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）雙燈絲設計，一用一備，燈絲材質：Y₂O₃/Ir

（7）快速掃描速度：2 ms/amu

（8）獨立的旁路真空系統，采用微調閥調節，進樣壓力可調節

（9）渦輪分子泵和干泵前級泵，質譜室工作真空度：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：皮拉尼冷陰極復合真空規。