原位微分电化学质谱仪（锂离子电池，金属空气电池）

微分电化学质谱（DEMS）作为一种电化学原位研究技术，能定性和定量分析电池运行过程中产生/消耗的气体。是研究电池的反应机理、SEI 膜形成、电解液和电极稳定性等重要研究工具之一。

锂-空气电池中的电化学反应是锂和氧气的转换反应，锂-空气电池在工作时消耗氧气和释放氧气，当存在副反应时，也会产生 H₂ 和 CO₂等，微分电化学质谱仪是研究Li-O₂ 电池可逆性 重要的工具之一。锂-离子电池在SEI膜形成，电解液分解过程中产生各种气体，如 H₂，CO，CO₂，乙烯等。基于Head space分析技术，结合电化学循环伏安或恒流充放电技，定性定量分析溢出气体。

   图1  电池模具示意图

   图2  微分电化学质谱仪实物图

二．应用案例

图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.

图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

图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．仪器组成

1. 载气系统

高精度质量流量计，气体纯化系统，低温冷井，不锈钢三通阀门管路等。

2. 电化学测试池

Swagelok电化学测试池，可用于锂电池和锂空气电池测试。

3. 进样系统

加热毛细管进样，进样压力和进样量可调节。

4. 真空系统

内置涡轮分子泵加无油的干泵前级泵。

5. 离子源

电子轰击离子源，通过电子碰撞/轰击，使样品分子在高真空的条件下离子化。样品中的分子被离子源中电子撞击后电离成质量数小的离子和中性粒子，进入到质量分析器中。

6. 质量分析器

四极杆原理质量分析器，连续全扫描模式或选择离子扫描模式。

7. 检测器

法拉第杯检测器和电子倍增器（用于较弱信号的检测，速度快，灵敏度非常高，终生免更换）

四.主要技术参数如下：

（1）质量数范围：1-100 amu

（2）EI电子轰击电离源，离子源能量可调节,10-140 eV

（3）最小检测分压：1×10-14 mbar

（4）检测限：小于1 ppm

（5）检测器：法拉第杯和电子倍增器双检测

（6）双灯丝设计，一用一备，灯丝材质：Y₂O₃/Ir

（7）快速扫描速度：2 ms/amu

（8）独立的旁路真空系统，采用微调阀调节，进样压力可调节

（9）涡轮分子泵和干泵前级泵，质谱室工作真空度：小于 1 × 10^-5 mbar

（10）气体采样管外部加热套温控范围：RT-200 ℃

（11）真空测量：皮拉尼冷阴极复合真空规。