【技术实现步骤摘要】
本申请涉及锂离子电池的，特别是涉及一种硅基负极的固态荧光成像表征方法。
技术介绍
1、锂离子电池是当今最重要的能量储存装置之一，已广泛应用于移动电子设备、电动交通、大型储能等领域。锂离子电池的能量密度很大程度上受制于负极材料的比容量。目前，主流的商用石墨负极产品的比容量均在350mah/g左右，接近理论比容量上限372mah/g，寻找更高比容量的新型负极材料迫在眉睫。
2、在众多的负极材料中，硅的理论比容量高达4200mah/g，是石墨材料的十倍以上，且能从各个方向提供锂离子进入和溶出的通道，快充性能优异，有望成为下一代负极材料。硅基负极与石墨负极材料的不同之处在于，锂离子并非嵌入硅元素的间隙中，而是与硅元素直接形成锂硅合金，由于硅的体积膨胀率超过300％，这就使得硅基负极在长期的充放电过程中反复膨胀收缩，并使极片界面产生大量裂纹缺陷，最终导致负极活性材料绝缘，电池容量快速衰减。另一方面，硅材料的导电性能不如碳材料，锂硅合金的分布情况具有明显的区域差异性。由此可见，上述问题制约了硅基负极的大规模应用。但是，目前缺乏一种硅基负极的有效表征手段，难以获得硅基负极的荷电状态(state of charge,soc)、锂硅合金分布、硅涂层裂纹缺陷、锂沉积颗粒等关键信息。
技术实现思路
1、基于此，有必要提供一种硅基负极的固态荧光成像表征方法，以解决目前缺乏一种硅基负极的有效表征手段，难以获得硅基负极的荷电状态、锂硅合金分布、硅涂层裂纹缺陷、锂沉积颗粒等关键信息。
2
3、本申请第一方面，提供一种硅基负极的固态荧光成像表征方法，包括以下步骤：
4、使荧光探针分子与硅基负极中的锂硅合金反应，形成含有锂基荧光化合物的硅基负极；
5、对所述含有锂基荧光化合物的硅基负极进行固态荧光成像表征；
6、其中，所述荧光探针分子具有如通式(ⅰ)所示的结构：
7、
8、ar上的羟基位于亚胺基的邻位；ar每次出现，各自独立地包括取代或未取代的芳基，或者取代或未取代的杂芳基。
9、在其中一个实施例中，ar每次出现，各自独立地包括取代或未取代的环原子数为6至30的芳基，或者取代或未取代的环原子数为5至30的杂芳基。
10、在其中一个实施例中，ar每次出现，各自独立地包括苯环、萘环、吡啶、吡咯、哌啶、嘧啶、呋喃、噻吩、噻唑、咪唑、喹啉和吲哚中的一种。
11、在其中一个实施例中，所述荧光探针分子具有如通式(ⅱ)所示的结构：
12、
13、其中，r每次出现，各自独立地包括h、卤素、氨基、硝基、氰基、异氰基、酰基、酯基、取代或未取代的烷基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的烯基、取代或未取代的炔基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的杂烷基以及取代或未取代的杂环基中的一种。
14、在其中一个实施例中，r选自h。
15、在其中一个实施例中，使荧光探针分子与硅基负极中的锂硅合金反应，包括以下步骤：
16、混合所述荧光探针分子和有机溶剂，制备混合液；
17、将所述混合液覆盖于所述硅基负极表面，并使所述有机溶液挥发。
18、在其中一个实施例中，所述混合液中的荧光探针分子的浓度为0.1mg/ml～5.0mg/ml；和/或，
19、在所述硅基负极的面积为100mm2的条件下，所述混合液的用量为0.05ml～0.20ml。
20、在其中一个实施例中，所述有机溶剂包括乙醚、四氢呋喃、丙酮、正己烷和环己烷中的一种或多种。
21、在其中一个实施例中，所述硅基负极的材料包括硅碳化合物、硅氧化合物、硅基合金和纳米硅材料中的一种或多种。
22、在其中一个实施例中，对所述含有锂基荧光化合物的硅基负极进行固态荧光成像表征，包括以下步骤：
23、于紫外光照射下，观察所述含有锂基荧光化合物的硅基负极的荧光现象；
24、和/或，
25、利用荧光光谱仪测定所述含有锂基荧光化合物的硅基负极的荧光强度。
26、本申请至少具有以下有益效果：
27、本申请采用的荧光探针分子具有邻位羟基的亚胺结构，能够通过激发态分子内质子转移(excited-state intramolecular proton transfer,esipt)机制发生质子转移反应，并且亚胺基与两个芳香环(ar)形成大的共轭π电子体系，因此可以在固态或不良溶剂体系下产生强烈而稳定的荧光信号。未荷电状态的硅基负极不含有锂硅合金，不会与荧光探针分子反应，荧光信号不会变化；荷电状态的硅基负极含有极高化学活性的锂硅合金，锂硅合金会与荧光探针分子中的羟基反应而形成去质子化的锂基荧光化合物，导致esipt机制被破坏，因此锂基荧光化合物的荧光信号相较于荧光探针分子发生明显的变化。本申请提供的硅基负极的固态荧光成像表征方法基于荧光探针分子和锂基荧光化合物的荧光信号的显著区别，可分析出硅基负极的荷电状态、锂硅合金分布、硅涂层裂纹缺陷、锂沉积颗粒等关键信息，从而为诊断硅基负极的界面状态、电池循环稳定性和安全性提供参考，有利于开发下一代高能量密度的锂硅电池。此外，该固态荧光成像表征方法具有简单便捷、灵敏度高、响应快速、光强稳定和适用性光的优点，适合硅基负极的可视化、规模化、批量化的快速表征。
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1.一种硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，Ar每次出现，各自独立地包括取代或未取代的环原子数为6～30的芳基，或者取代或未取代的环原子数为5～30的杂芳基。
3.如权利要求2所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，Ar每次出现，各自独立地包括苯环、萘环、吡啶、吡咯、哌啶、嘧啶、呋喃、噻吩、噻唑、咪唑、喹啉和吲哚中的一种。
4.如权利要求3所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，所述荧光探针分子具有如通式(Ⅱ)所示的结构：
5.如权利要求4所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，R选自H。
6.如权利要求1～5任一项所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，使荧光探针分子与硅基负极中的锂硅合金反应，包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，所述混合液中的荧光探针分子的浓度为0.1mg/mL～5.0mg/mL；和/或，
8.如权利要求
9.如权利要求1～5任一项所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，所述硅基负极的材料包括硅碳化合物、硅氧化合物、硅基合金和纳米硅材料中的一种或多种。
10.如权利要求1～5任一项所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，对所述含有锂基荧光化合物的硅基负极进行固态荧光成像表征，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，ar每次出现，各自独立地包括取代或未取代的环原子数为6～30的芳基，或者取代或未取代的环原子数为5～30的杂芳基。
3.如权利要求2所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，ar每次出现，各自独立地包括苯环、萘环、吡啶、吡咯、哌啶、嘧啶、呋喃、噻吩、噻唑、咪唑、喹啉和吲哚中的一种。
4.如权利要求3所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，所述荧光探针分子具有如通式(ⅱ)所示的结构：
5.如权利要求4所述的硅基负极的固态荧光成像表征方法，其特征在于，r选自h。
6.如权利要求1～5任一项所述的硅基负极的固态荧...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨洋，张晨曦，王梦实，何姿颖，何向明，魏飞，危岩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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