利用即時FTIR光譜分析鋰離子電池失效所產生煙霧的成分與毒性研究

目錄 介紹 分析技術比較 提升對失效機制與煙霧毒性之理解 Antaris IGS FTIR氣體分析儀－效能與靈活性 摘要總結 文章來源 介紹 鋰離子電池（Lithium-ion Battery, LiB）因具有壽命長、重量輕、能量密度高及充電速度快等優點，已成為現今最普遍的儲能技術之一。這些特性使鋰離子電池適用於各種應用領域，從消費性電子產品、電動車，到大型電網儲能系統皆可見其蹤影。市場對更高儲能容量與電池組電壓的需求，持續推動電池結構設計與材料研究的進步。這些改良可提升電池續航力與可靠性，進而改善終端使用者的體驗。然而，這些技術進展也伴隨著一定風險，因為賦予鋰離子電池優異性能的鋰化合物本身具有高度反應性。 若鋰離子電池在充電、儲存或使用過程中操作不當，可能發生過熱、起火甚至爆炸等情況。近年來的新聞事件與產品召回案例，也使社會更加關注鋰離子電池可能造成的財產損失、人身傷害，甚至死亡風險。在充放電過程中，大電流通過電池可能導致電芯快速升溫，進而使電解液溶劑揮發或分解，甚至造成電池外殼破裂。 隨著電池老化，部分鋰離子無法重新嵌入負極材料中，而會逐漸沉積形成樹枝狀結構（Dendrites，鋰枝晶）。鋰枝晶可能帶來多種安全隱患，例如：橫跨正負極之間形成導電通路，造成內部短路。刺穿隔離膜（Separator），導致電池內部機械性損傷。此外，若電池暴露於外部熱源，例如馬達或鄰近電池所產生的熱能，也可能引發失效。電池若受到穿刺或其他物理損傷，同樣可能導致災難性失效。這是因為電池內部高反應性的材料會暴露於空氣與水氣環境中，進而引發劇烈化學反應。 圖1為典型鋰離子電池（LiB）的結構示意圖，其主要由負極（Anode）、隔離膜（Separator）及正極（Cathode）所組成。電池內部加入電解液溶劑，以促進鋰離子在正負極之間的移動；而隔離膜（通常為聚乙烯 Polyethylene 或聚丙烯 Polypropylene 等聚合物薄膜）則用來防止正負極直接接觸。 圖1. 典型鋰離子電池（LiB）電芯主要組成元件示意圖， 圖片來源為 BATSTRUCT。 鋰離子電池失效所帶來的危害不僅限於高溫與火焰，還包括電池破裂後所釋放煙霧中的化學暴露風險與毒性問題。鋰離子電池中許多化學成分已知具有毒性或潛在危害性，而其熱分解與燃燒反應十分複雜，往往會產生更多種類的副產物。例如，六氟磷酸鋰（LiPF₆）在受熱時可能發生分解，產生五氟化磷（PF₅）及氟化鋰（LiF）（如方程式 1 所示）。而五氟化磷與六氟磷酸鋰均會與水氣快速反應，進一步產生氟化氫（HF）氣體（如方程式 2 與方程式 3 所示）。 氟化氫是一種具有高度毒性且強腐蝕性的氣體。在熱失控（Thermal Runaway）過程中，還會發生其他涉及常見電解液溶劑與鋰金屬的化學反應，例如碳酸乙烯酯（Ethylene Carbonate）、碳酸丙烯酯（Propylene Carbonate）及碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate）等溶劑與鋰之間的反應，如下方方程式 4～7 所示。 若正負極發生接觸，將造成電池內部短路，導致電芯升溫，嚴重時甚至可能引發電池失效。根據不同的電池設計，電芯中還可能包含其他元件與材料，例如：聚合物墊圈（Polymer Gaskets）。絕緣材料（Insulators）等結構，以提升電池的密封性、安全性與電氣絕緣性能。 這些反應皆屬於放熱反應（Exothermic Reactions），因此會提供火災發生所需的三項基本條件：熱源（或點火源）、燃料以及氧氣，進一步推動熱失控（Thermal Runaway）過程持續惡化。 為了降低此類反應的風險，研究人員投入大量研究，嘗試開發化學性質較穩定、反應活性較低的電解液系統。然而，就目前而言，無論在安全性或電池性能方面，相關改良技術仍呈現優缺參半的結果。 除了上述化學分解反應外，電化學反應同樣可能導致熱失控現象。這類反應通常涉及：電解液（Electrolyte）、鋰離子（Lithium Ions）、氫氣（Hydrogen）之間的相互作用。部分典型反應如方程式 8～10 所示。此類反應通常發生於電池充電電壓超過設計規範時，這種現象稱為過充（Overcharging）。 在上述所有反應（方程式 1～10）中，所產生的氣體都會使鋰離子電池內部壓力持續升高，增加電池外殼破裂的風險，進而可能釋放出具有反應性及危害性的化學物質。基於這些反應機制，許多研究著重於評估添加於鋰離子電池中的阻燃劑（Retardants）或封裝材料（Encapsulants），以及它們降低排放氣體可燃性的能力。這些材料加入電解液或隔離膜中後，雖然可能改善安全性，但同時也可能影響電池的電氣特性與性能。此外，這些添加物本身在燃燒或分解時，也可能增加煙霧的毒性。 近年來，全固態電池（Solid-State Batteries, SSBs）因可減少甚至完全消除液態電解液的使用，而被認為具有較高的先天安全性，因此受到廣泛關注。然而，相關研究指出，全固態電池反而可能更容易發生：內部短路（Internal Short Circuit）、溫度快速上升（Accelerated Temperature Rise）等問題。 此外，即使是全固態電池，在失效時所產生的氣體仍然具有毒性風險。高溫可能導致電池外殼燃燒，或使電池內部材料分解，例如：作為固態電解質基材的聚合物（Polymer Matrix）、作為固態電解質的硫化物材料（Sulfide Electrolytes）這些材料燃燒或熱分解後，同樣可能釋放有害氣體。因此，在進行新型電池材料研發的同時，針對電池失效模式與安全性的測試研究也必須同步進行，才能全面評估其實際應用風險。 分析技術比較 為了深入了解鋰離子電池在熱失控過程中所釋放蒸氣的組成，研究人員已採用多種分析技術進行研究，包括： 氣相層析質譜儀（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）。 傅立葉轉換紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）。 非分散式紅外線感測器（Non-Dispersive Infrared Sensor, NDIR）。 順磁分析儀（Paramagnetic Analyzer, PA）。 洗氣瓶（Gas-Washing Bottles）。 順磁分析儀（PA）僅對具有較高磁化率的氣體敏感，因此其應用通常侷限於氧氣的檢測。 GC-MS 具有高靈敏度的優勢，並可提供更詳細的化學組成資訊。然而，由於樣品必須先在氣相層析柱中完成分離後才能進行偵測，因此在單次電池測試過程中可分析的樣品數量有限。洗氣瓶則可用於量測特定時間範圍內所捕集氣體或某類化合物的總量，但此方法高度依賴目標化合物在洗滌液中的溶解度，且後續仍需額外分析程序。此外，洗氣瓶法幾乎無法提供時間解析度（Temporal Resolution）資訊，也就是說，無法得知測試過程中某一化合物是在何時釋放，以及其釋放速率如何隨時間變化。 像非分散式紅外線（NDIR）這類光譜技術，可以對氣體進行較穩定的量測，並且具備較高的時間解析度。然而，此類感測器通常僅能針對一種或少數幾種氣體進行分析，其能力取決於儀器所配置的濾光片數量。 這類感測器通常針對每一個待測物設定狹窄的光譜波段進行量測，但這種設計會限制分析的彈性。同時，它也無法提供關於其他物種干擾的資訊，特別是那些具有較寬廣且重疊吸收峰的化學物種，例如電解液分解產物或 C3 以上的碳氫化合物。 此外，NDIR 分析結果通常不適用於進一步的解析性用途，例如：官能基辨識、未知物種鑑定。因此，其輸出主要為定量訊號，而非結構性資訊。圖2 總結了上述不同分析技術之間的優缺點與應用差異。 圖2. 用於分析鋰離子電池（LiB）電芯釋放煙霧成分 之各種分析技術的優勢比較。 圖3 顯示一氧化碳（CO）、氯化氫（HCl）、氟化氫（HF）與二氧化硫（SO₂）的紅外光譜。這些具毒性的氣體在鋰離子電池失效時經常會被釋放。這些分子的紅外光譜特徵相對簡單，主要源自其分子結構：CO、HCl 與 HF 為異核雙原子分子，其結構相對簡單，因此紅外光譜主要呈現單一化學鍵的伸縮振動吸收特徵。SO₂ 為三原子分子，呈彎曲（V 型）結構，因此會出現較複雜的振動模式，包括：不對稱伸縮振動（約 1360 cm⁻¹）、對稱伸縮振動（約 1150 cm⁻¹）、彎曲振動（約 600 cm⁻¹，超出本測量範圍）。整體而言，隨著分子結構複雜度增加，其紅外光譜的特徵也會變得更加複雜。這個趨勢在鋰離子電池失效所產生的碳氫化合物光譜中尤其明顯。 圖3. 一氧化碳、氯化氫、氟化氫與二氧化硫的紅外光譜。 圖 4顯示甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）、丙烯（C₃H₆）、碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate, DMC；C₃H₆O₃）以及碳酸甲乙酯（Ethyl Methyl Carbonate, EMC；C₄H₈O₃）的紅外光譜。圖中可觀察到，隨著由上至下分子結構複雜度增加，紅外光譜的外觀與特徵出現明顯變化。 甲烷的光譜具有規律重複且尖銳的吸收峰，這是由於其分子結構相對簡單，僅包含一種鍵結類型（C–H 鍵）。隨著分子結構變得更複雜，鍵結種類也隨之增加。例如碳酸甲乙酯（EMC）包含 15 個原子，並具有以下鍵結：碳–氫鍵（C–H）、碳–碳鍵（C–C）、碳–氧單鍵（C–O）、碳–氧雙鍵（C=O）。 在如此複雜的結構下，可能存在大量振動能階，使得光譜呈現出類似凝聚相（例如液體）的連續吸收特徵。雖然單一振動模式仍可能對應尖銳吸收峰，但由於振動狀態數量極多且能量間距非常接近，整體光譜會呈現較為平滑的外觀。這些寬廣的吸收帶會導致不同物種之間的光譜重疊更加嚴重，這也是後續分析中重要的挑戰之一。 圖4. 甲烷、乙烯、丙烯、碳酸二甲酯與碳酸甲乙酯的紅外光譜。 這些皆為碳氫化合物，其蒸氣通常在鋰離子電池（LiB）失效時會被釋放出來。 基於上述原因，FTIR 光譜技術成為分析鋰離子電池失效所產生煙霧成分的首選方法之一，因其能對多種化合物進行快速量測。其量測速度的優勢，使其特別適合分析瞬態（transient）物種，可即時提供隨著時間快速變化的電池釋放氣體之成分資訊。此外，FTIR 的寬光譜量測範圍，使方法可因應不同電解液與阻燃添加劑的變化進行調整，進而為研究人員與製造商提供關於電池材料特性與安全性的重要資訊。 提升對失效機制與煙霧毒性之理解 除了電池化學與材料本身之外，關於鋰離子電池（LiB）失效機制的研究也顯示，電池的荷電狀態（State of Charge, SOC）與其在高溫（例如氣體燃燒器加熱）下失效時所釋放有毒氣體（如氟化氫 HF）的釋放速率之間存在關聯。研究發現，當電池處於完全充電狀態時，HF 會更早且以更高速率釋放；相反地，當電池荷電程度較低時，HF 的釋放速率較低，且出現時間也會延遲。 在本研究中，每 12 秒進行一次光譜量測，以定量分析所產生的氣體蒸氣，此一分析速度是其他分析技術難以達成的。圖 5（取自 Sci Rep 7, 10018（2017）；參考文獻 19）顯示不同荷電狀態下，氟化氫（HF）濃度隨時間變化的測量結果。 圖5. 在鋰離子電池（LiB）熱失控過程中，不同荷電狀態電池所釋放之氟化氫（HF）氣體濃度隨時間變化的量測結果。 研究也發現，荷電狀態（SOC）與其他氣體之間同樣存在類似的依賴關係。另一研究團隊對大尺寸鋰離子電池（68 Ah 磷酸鐵鋰軟包電池）進行加熱測試，使用電加熱器誘發反應，使 FTIR 能夠直接解析燃燒副產物，例如一氧化碳（CO）與二氧化碳（CO₂）。 圖6顯示這些氣體濃度隨測試時間的變化情形。其他被分析的氣體，包括氟化氫（HF）、二氧化硫（SO₂）、一氧化氮（NO）與二氧化氮（NO₂），也呈現相似的時間–濃度變化趨勢。同時也觀察到相同的規律關係：氣體的生成起始時間、濃度大小與荷電狀態（SOC）之間具有明顯關聯。也就是說，在較低 SOC 下，氣體的釋放會延遲發生，且生成速率較慢。 圖6. 在大型鋰離子電池模組熱失控過程中，測得的一氧化碳（CO）與二氧化碳（CO₂）濃度隨測試時間變化的結果。 FTIR 光譜技術亦被應用於研究因過充（Overcharging）而失效的鋰離子電池所釋放的氣體。在此研究中，作者特別指出，過充測試與熱濫用（Thermal Abuse）測試之間的電池溫度存在明顯差異。由於失效機制不同，因此所產生氣體的組成比例也有所不同。其中，電解液成分碳酸甲乙酯（EMC）與碳酸二甲酯（DMC）是主要的釋放物種。 在過充測試中，電池外部溫度相對較低，因此較不容易發生燃燒反應。若發生燃燒，原本的電解液成分會進一步轉化為：一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、水蒸氣（H₂O）等燃燒產物。相較於熱濫用測試，由於含氟材料不會立即暴露於水氣環境，因此氟化氫（HF）的產生與偵測時間也會延後。圖7顯示本研究中各種氣體蒸氣濃度隨時間變化的趨勢。 圖 7. 左圖為二氧化碳（CO₂）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）及乙烯（C₂H₄）的濃度； 右圖為一氧化碳（CO）、二甲醚（CH₃OCH₃）、甲酸甲酯（CH₃OCHO）、氟化氫（HF）及甲烷（CH₄）的濃度變化。 這些氣體為鋰離子電池（LiB）在過充測試中所釋放之蒸氣。 Antaris IGS FTIR氣體分析儀－效能與靈活性 賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific）已開發出一套完整的 FTIR 量測系統，用於支援煙霧毒性測試，符合 EN17084、EN 45545-2 與 ISO 19702 等標準煙霧毒性測試規範。此系統由 Thermo Scientific™ Antaris™ IGS 氣體分析系統、機架式加熱閥箱（Heated Valve Drawer, HVD）以及真空幫浦所組成，整體稱為 ModGas 系統。 此系統具備以下特點： 可在單次量測中對多種化合物進行高靈敏度定量分析。具備高解析度（0.5 cm⁻¹）量測能力，可解決光譜重疊問題並進行定量分析。可選配整合壓力與溫度量測功能，自動校正濃度數值以提升準確度。經認證之火災科學分析方法，並以一次校正標準進行驗證。支援即時線上取樣，可進行每秒級（second-by-second）即時分析。可重新分析已儲存數據，並加入新物種以進行客製化研究。可透過 Thermo Scientific™ OMNIC™ 軟體對未知物種進行光譜資料庫比對。 系統關鍵元件設計可提升煙霧毒性分析準確性，包括：1. 防止高反應性氣體被低化學耐受性表面吸附損失。2. 防止可凝結氣體在低溫表面凝結損失。3. 降低樣品殘留造成的交叉污染干擾。 ModGas 系統的各項元件對於煙霧毒性測試中所產生氣體的準確量測至關重要，其主要功能包括： 防止高反應性氣體被化學耐受性較低的管路或表面吸附而造成損失 防止可凝結氣體於低溫表面發生冷凝而造成損失 降低前次樣品殘留（Sample Carryover）所造成的干擾影響 如需進一步技術細節，請洽新國科技。 如圖 8 所示的配置，是電池失效分析與煙霧毒性測試中常見的實驗架構。待測電池單體或電池模組會放置於測試箱體或測試室內，並設置於排氣採樣口（Vent Draw Point）或稱煙囪（Chimney）下方。測試過程中所產生的氣體會由鼓風機（Blower）經由煙囪抽出，其中部分氣體再透過取樣探頭（Probe）從煙囪引入 HVD 與 Antaris IGS 系統，並利用真空幫浦以「抽氣式（Pull Configuration）」方式進行取樣。 因此，樣品氣體在氣體池（Gas Cell）中的量測壓力會略低於大氣壓（約 760 Torr），故 Thermo Fisher Scientific 將 FTIR 系統校正於 650 Torr 的操作條件下。氣體蒸氣通過氣體池完成量測後，會返回 HVD，並經由排氣接口（Vent Connection）排出系統。此外，HVD 亦提供方便的氣體導入功能，可透過：氮氣（Nitrogen）接口、Span Gas（標準校正氣體）接口，將其他氣體導入 Antaris IGS 系統。這些氣體可用於：定期確認量測準確度。導入校正氣體建立新的分析方法。同時，HVD 亦可調整氣體流量與樣品氣體壓力，以確保不同測試程序之間具有一致性。 圖8. 電池測試系統常見組成架構示意圖（上圖），包含 HVD 與 Antaris™ IGS 氣體分析系統（如圖 9 所示）。 圖9. Thermo Scientific Antaris IGS氣體分析儀 光譜資料的收集由 OMNIC Series 軟體模組控制，使用者可在進行時間解析（Time-Resolved）實驗時，即時觀察光譜數據與濃度變化趨勢。首先，使用者可在 Collect 選單中設定光譜量測參數。 完成量測條件設定後，可利用 Series 選單設定：實驗持續時間、資料儲存或捨棄的時間區段、光譜收集期間所顯示的分析曲線（Profiles）。Profiles 功能可讓使用者即時計算並顯示濃度變化趨勢。 Profiles可包含： 使用 TQ Analyst 建立的定量分析方法 在 TQ Analyst 中設定為「Measurement Only」的方法，例如： 峰高（Peak Height） 峰位（Peak Position） 峰面積（Peak Area） 雜訊（Noise） 其他光譜參數 Gram-Schmidt 重建（Gram-Schmidt Reconstruction）等分析曲線 上述設定皆可儲存於實驗檔案中，使使用者能快速調用實驗室中經常使用的量測條件與分析參數。 圖 10 顯示一個 Series 實驗範例。圖上方顯示多種氣體的濃度變化曲線（ppm），包括：甲烷（CH₄）、一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）。而曲線上的每一個數據點皆對應一筆紅外光譜，顯示於視窗下方區域。 圖10. 動態氣體混合物的 Series 分析曲線範例。 上方區域顯示各氣體的量測濃度變化； 下方區域則顯示在分析曲線所選時間點所對應收集的紅外光譜。 Antaris IGS 光譜儀亦可透過 RESULT 軟體進行控制，並利用 Sequence 功能執行光譜資料收集。此軟體套件專為工業使用者設計，可建立所謂的 Workflow（工作流程），相當於一套預先定義的分析作業程序。 在執行 Workflow 期間，量測參數不會顯示給操作人員，因此可降低實驗設定錯誤的風險。此外，該軟體支援透過常見工業通訊協定進行訊號接收與傳輸，包括：Modbus、OPC DA、OPC UA。因此可讓光譜儀與自動化控制系統進行無縫整合。 定量方法可在 TQ Analyst 軟體中建立與維護，使使用者能夠隨著新興電池材料技術的發展而調整其研究方法。例如，隨著對更高電池電壓的需求增加，研究重點轉向開發不會在高電壓下分解的電解液溶劑化學體系。這促使研究人員測試含氟碳酸酯（fluorinated carbonates）及其他多種電解液化學組成，以提升電池性能與／或安全性。 可由使用者自訂的方法，使研究人員能夠調整其分析系統，以測量新型材料與電池化學組成，維持技術領先。在氣體混合物的準確定量分析中，選擇適當的光譜解析度至關重要，這也是 EN 17084 指南所強調的原因。 圖 11 顯示在 4 cm⁻¹ 與 0.5 cm⁻¹ 解析度下水蒸氣與一氧化氮（NO）的光譜比較。在較低解析度下，兩者光譜帶會產生重疊，降低一氧化氮定量分析的準確性；而在 0.5 cm⁻¹ 高解析度下，兩者重疊幾乎被消除，使標示區域可用於一氧化氮的精確定量。Thermo Scientific OMNIC 軟體亦支援以窄解析度收集光譜，並可將資料重新處理為較寬解析度。透過此功能，研究人員可快速評估光譜解析度對方法的影響，而無需重新進行資料量測，從而大幅提升方法優化效率。 圖11. 水蒸氣（藍色）與一氧化氮（紅色）紅外光譜重疊圖， 於 4 cm⁻¹ 解析度（上圖）與 0.5 cm⁻¹ 解析度（下圖）下的比較。 請注意，在 4 cm⁻¹ 解析度量測時，兩者的光譜特徵存在重疊現象。 游標標示出一段可用於一氧化氮（NO）定量分析的光譜區域， 但此區域僅在 0.5 cm⁻¹ 解析度下才具備有效性。 氣體校正（Gas Calibration）是透過在多種濃度下量測蒸氣光譜來建立的。為了建立新方法或在既有方法中加入新的氣體，會先收集該氣體的光譜，再將其加入標準品清單。同時在標準表中輸入對應的濃度值，並指定一個或多個光譜區間用於該化合物的定量分析。理想情況下，所選擇的光譜區域應僅包含分析物（analyte）的特徵吸收峰，以減少其他化合物的干擾，如前述一氧化氮（NO）的例子所示。 在無法避免光譜重疊的情況下，Thermo Fisher Scientific 在 TQ Analyst 軟體中獨特實作的 CLS（Classical Least Squares，經典最小平方） 方法，可讓使用者將干擾物指定為 interference（干擾項），並在定量分析時從分析物光譜中扣除其貢獻，從而提高在重疊光譜條件下的定量準確性，並降低非目標物種的干擾。可用於定量的最佳光譜區域可被指定為 analytical regions，使模型僅納入最佳波段，以提升靈敏度與定量能力。 在紅外光譜的定量分析方法中，雖然存在多種演算法，但 CLS（經典最小平方） 長期以來被視為氣相混合物分析的首選方法。此方法利用多個光譜資料點進行計算，並假設混合物中各成分的吸收具有加和性（summative relationship）。使用多點資料進行計算具有「平均化效果」：單一頻率上的噪音不會過度影響結果，且不同頻率上的噪音具有隨機性，因此在整體計算中可被平均降低。 最準確的方法通常會納入所有會在分析波段內吸收紅外光的氣體成分的純物種光譜。相比之下，峰高法（peak height）對噪音較敏感，因此偵測極限較差；峰面積法雖具部分平均效果，但在光譜重疊時需額外扣除干擾成分，處理較為複雜。 更進階的方法如 PLS（部分最小平方） 適用於光譜嚴重重疊的情況，也能降低噪音影響，但需要較高的校正成本，通常需大量樣品建立模型，且樣品間的濃度共變性必須盡量降低。此外，CLS 可直接加入純物種光譜，而 PLS 則需使用混合物光譜進行建模，因此當方法需要新增氣體時，PLS 通常必須重新建立整套包含所有成分的新校正資料。 氣相定量方法也常需加入非線性校正，因為吸光度與濃度之間的關係並非完全線性。即使在 0.5 cm⁻¹ 的高解析度下可解析 HF、H₂O、NO 等接近的光譜峰，但其解析度仍高於某些小型線性分子的真正譜線寬度。此外，在濃度範圍內若譜線展寬（line broadening）顯著增加，吸收會分散至更寬的頻率範圍，導致單位濃度的吸光度斜率下降。類似地，碰撞展寬（collisional broadening）也會造成相同現象，特別是極性氣體因碰撞截面較大而更明顯。 另外，FTIR 偵測器本身（例如 MCT，HgCdTe）雖具高靈敏度與快速掃描能力，但也可能呈現非線性響應。因此 TQ Analyst 可使用二次或更高次多項式進行校正，以補償這些非線性效應。還有一種情況值得注意：當分析物濃度過高導致部分光譜區域「飽和（saturation）」時，該區域幾乎沒有有效光訊號，此時量測結果將主要由雜訊主導，因此不適合用於定量。因此實務上通常會改用其他較弱吸收區域進行分析，以避免飽和影響。這是 FTIR 氣體定量分析中的常見最佳實務：在低濃度時使用強吸收峰以提升靈敏度與偵測極限；在高濃度時則使用較弱吸收峰以避免飽和問題。 摘要總結 研究指出，由於鋰離子電池（LiB）在構造上使用具有反應性與潛在危害性的材料，因此有必要進行煙霧毒性測試。電池釋放之有毒氣體的速率與總量，取決於電池所採用的化學組成以及其荷電狀態（state of charge, SOC）。隨著新型電池化學體系的持續發展，這些特性也將不斷演進。 Antaris IGS 與 ModGas 取樣介面提供了一套強大且具彈性的系統，使研究人員能更深入理解電池失效機制，以及電池失效過程中所產生蒸氣的毒性。光譜資料可進行後續重處理，並可與資料庫進行比對搜尋，以協助未知物種的鑑定。透過此方法，研究人員可持續更新並調整分析方法，以因應新興材料技術的發展，同時支持新型電池材料的研發。 文章來源 https://documents.thermofisher.com/TFS-Assets/CAD/Application-Notes/vib-ftir-lithium-ion-battery-fire-mcs-an1260-en.pdf

淺談顯微紅外光譜儀(Micro-FTIR)及分析技術

傅立葉轉換紅外顯微光譜儀(Micro-FTIR)分析已廣泛應用於司法鑑定中各類物證材料樣品的定性和定量分析。

目錄 紅外顯微光譜儀分析理論 紅外顯微光譜儀分析用途 紅外顯微光譜儀分析優點 紅外顯微光譜儀靈敏度高 紅外顯微光譜儀能進行局部分析 樣品製備簡單 紅外顯微鏡光路調節簡單 保持樣品形態 紅外顯微光譜儀分析理論 分子中存在多種類型的振動模式，其中一些振動模式可以引起分子偶極距發生變化，當這類振動的頻率和紅外光頻率相同時，分子能夠吸收紅外光的能量，形成紅外吸收光譜(IR)。不同的化合物因其分子結構不同，紅外吸收光譜的特徵峰不同，如同人類的指紋，沒有兩個是完全吻合的。因此，在鑑定高分子材料時，紅外光譜FTIR技術被認爲是非常有效的方法。 圖1.分子振動模組類別 以一束紅外光照射樣品，樣品所含的分子將會吸收一部分光能，並轉變爲分子的振動能和轉動能。藉助於儀器將吸收值與相應的波數作圖，即可獲得該試樣的紅外吸收光譜，紅外光譜中的每一個特徵吸收譜帶都包含了樣品分子中官能基和化學鍵結的訊息。不同物質有著不同的紅外光譜，將樣品的紅外光譜和已知的紅外光譜進行比較從而鑑別材料。 圖2.Thermo光譜儀-顯微紅外光譜儀家族 顯微紅外分析就是將紅外光譜與顯微鏡結合在一起的分析方法，它利用不同材料(主要是有機物)對紅外光譜不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再結合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路，只要在可見的視野範圍下，就可以尋找要分析微量的有機汙染物區域。如果沒有顯微鏡的技術搭配，通常紅外光譜只能分析樣品量較多的樣品，也較難進行樣品的局部區域偵測。在很多情況下，只要微量的汙染就可能導致PCB焊盤或引線腳的可焊性不良，若沒有搭載顯微鏡技術的紅外光譜是很難解決這類問題的。顯微紅外分析的主要用途就是分析被焊面或焊點表面的有機汙染物，分析腐蝕或可焊性不良的原因。 圖3.PCB焊盤汙染檢測案例 紅外顯微光譜儀分析用途 結構鑑定、定量分析和化學動力學研究等，它的解析能夠提供許多關於官能團的訊息，利用紅外吸收峰的位置與強度，可以用來鑑別未知物的結構組成或確定其化學成分；而吸收譜帶的吸收強度與官能基的含量的多寡有關，可用於進行定量分析和純度鑑定。 傅立葉轉換顯微紅外光譜儀(Micro-FTIR)分析是一種重要的現代分析手段和方法，已廣泛應用於司法鑑定中各類物證材料(包括有機、無機物證材料)樣品的定性和定量分析，不僅能準確的確定物證材料的各種化學成分，還可以採用對比分析的方法，快速有效地得到直接的取證結果。在分析測試工作中，應用紅外光譜分析技術，並結合顯微鏡或層析、熱重分析等技術，運用於毒品走私、炸藥爆炸、僞造假幣、書畫防僞、保全鑑定等刑事領域樣品進行分析鑑定，並提供準確數據和分析結論等科學依據。 圖4.紅外顯微光譜儀量測模式選擇 紅外顯微光譜儀分析優點 紅外顯微光譜儀靈敏度高 (1)靈敏度高，樣品量至10微克以下，如此量少就足以獲得很好的紅外光譜圖。 紅外顯微光譜儀能進行局部分析 (2)能進行局部分析，其顯微鏡測量孔徑可到8微米或更小，在顯微鏡觀察下，可方便地根據需要選擇樣品不同區域進行分析。對非勻相樣品可在顯微鏡下直接測量樣品上各區域的紅外光譜圖。 樣品製備簡單 (3)樣品製備簡單，對不透光樣品可直接測定反射式量測方法。 紅外顯微鏡光路調節簡單 (4)顯微鏡光路調節簡單，顯微觀察與紅外光譜分析是同一光路，容易實現顯微鏡對樣品待分析部位定位。 保持樣品形態 (5)分析過程中可保持樣品原有形態和晶型，樣品不被破壞。 紅外光譜儀全部商品一覽   [ { "@context": "https://schema.org", "@type": "FAQPage", "mainEntity": [ { "@type": "Question", "name": "紅外顯微光譜儀分析理論", "answerCount": 1, "upvoteCount": 1, "acceptedAnswer": { "@type": "Answer", "text": "顯微紅外分析就是將紅外光譜與顯微鏡結合在一起的分析方法，它利用不同材料(主要是有機物)對紅外光譜不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再結合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路，只要在可見的視野範圍下，就可以尋找要分析微量的有機汙染物區域。如果沒有顯微鏡的技術搭配，通常紅外光譜只能分析樣品量較多的樣品，也較難進行樣品的局部區域偵測。在很多情況下，只要微量的汙染就可能導致PCB焊盤或引線腳的可焊性不良，若沒有搭載顯微鏡技術的紅外光譜是很難解決這類問題的。顯微紅外分析的主要用途就是分析被焊面或焊點表面的有機汙染物，分析腐蝕或可焊性不良的原因。", "upvoteCount": 1 } }, { "@type": "Question", "name": "紅外顯微光譜儀分析用途", "answerCount": 1, "upvoteCount": 1, "acceptedAnswer": { "@type": "Answer", "text": "傅立葉轉換顯微紅外光譜儀(Micro-FTIR)分析是一種重要的現代分析手段和方法，已廣泛應用於司法鑑定中各類物證材料(包括有機、無機物證材料)樣品的定性和定量分析，不僅能準確的確定物證材料的各種化學成分，還可以採用對比分析的方法，快速有效地得到直接的取證結果。在分析測試工作中，應用紅外光譜分析技術，並結合顯微鏡或層析、熱重分析等技術，運用於毒品走私、炸藥爆炸、僞造假幣、書畫防僞、保全鑑定等刑事領域樣品進行分析鑑定，並提供準確數據和分析結論等科學依據。 ", "upvoteCount": 1 } }, { "@type": "Question", "name": "紅外顯微光譜儀分析優點", "answerCount": 1, "upvoteCount": 1, "acceptedAnswer": { "@type": "Answer", "text": "(1)靈敏度高，樣品量至10微克以下，如此量少就足以獲得很好的紅外光譜圖。(2)能進行局部分析，其顯微鏡測量孔徑可到8微米或更小，在顯微鏡觀察下，可方便地根據需要選擇樣品不同區域進行分析。對非勻相樣品可在顯微鏡下直接測量樣品上各區域的紅外光譜圖。(3)樣品製備簡單，對不透光樣品可直接測定反射式量測方法。(4)顯微鏡光路調節簡單，顯微觀察與紅外光譜分析是同一光路，容易實現顯微鏡對樣品待分析部位定位。(5)分析過程中可保持樣品原有形態和晶型，樣品不被破壞。", "upvoteCount": 1 } } ] } ]