TS Science
Product
Raman Microscopes
[Raman] Electrochemical & Battery Cell
Electrochemical & Battery Cell
Charge / Discharge 중 Electrode의 변화를 Raman으로
Operando Raman · Three-Electrode · Battery · Flow Cell · GDE
Battery와 Electrochemical Material은 충전 전과 방전 후만 비교해서는 중간 과정에서 일어나는 Phase Transition, Surface Reaction, Interface Formation 및 Side Reaction을 놓칠 수 있습니다.
Operando Raman은 Potential 또는 Current를 실제로 인가한 상태에서 Raman Spectrum을 반복 측정하여 Electrochemical State와 Material Structure를 직접 연결 할 수 있도록 합니다.
전압이 바뀌는 동안 Electrode 안에서는 무엇이 변하고 있을까?
Phase Change
Charge State에 따라 Electrode Material의 Crystal / Molecular Phase가 변하는지 확인합니다.
Peak Shift
Ion insertion, Stress 및 Bonding Environment 변화에 따른 Raman Peak 이동을 추적합니다.
Interface Species
Electrode / Electrolyte Interface에서 생성·소멸하는 Species를 Potential과 연결하여 관찰합니다.
Degradation
반복 Cycle 중 비가역적 Structural Change와 Side Reaction을 추적합니다.
Raman Optical Path와 Electrochemical Cell을 하나의 Geometry로
Optical Access가 있는 Electrochemical Cell
Operando Raman Cell은 Working, Reference, Counter Electrode를 구성하면서도 Raman Laser가 관심 있는 Electrode 또는 Interface까지 도달할 수 있어야 합니다.
Raman Objective는 Quartz 또는 Sapphire와 같은 Optical Window를 통해 Working Electrode에 Focus합니다.
동시에 Potentiostat / Galvanostat에서 Potential 또는 Current를 제어하고, Raman Spectrum을 Electrochemical State와 함께 수집합니다.
Working Electrode
실제 Raman으로 관찰하려는 Electrode 또는 Catalyst Material이 위치합니다.
Reference Electrode
Working Electrode의 Potential을 기준 전위에 대해 정확하게 제어합니다.
Counter Electrode
Electrochemical Circuit을 완성하여 Working Electrode의 Reaction을 지원합니다.
Electrochemical State와 Raman Spectrum을 같은 Time Axis에서
State 1 → State 2 → State 3 ...
Battery를 Charge 또는 Discharge하면서 특정 Potential, State of Charge 또는 시간 간격마다 Raman Spectrum을 수집할 수 있습니다.
이렇게 얻은 Spectrum에서 Peak Position, Intensity, Band Shape 및 새로운 Raman Mode의 출현을 비교하면 Electrochemical State에 따른 Structural Evolution을 확인할 수 있습니다.
Cycle을 다시 반대로 진행했을 때 Spectrum도 원래 상태로 돌아오는지 확인하면 Reversible / Irreversible Change를 구분하는 데 도움이 됩니다.
Potential과 Spectrum을 연결하는 Measurement Workflow
Assemble
Electrode, Separator, Electrolyte와 Raman Window를 구성합니다.
Connect
Cell을 Potentiostat 또는 Battery Cycler에 연결합니다.
Focus
Optical Window를 통해 Electrode Surface에 Laser를 Focus합니다.
Operate
Charge, Discharge, CV 또는 Potential Step을 수행합니다.
Correlate
Electrochemical Data와 Raman 변화의 관계를 분석합니다.
Electrochemical Curve와 함께 읽는 Raman Information
Structure / Stress
Ion insertion, Stress 및 Bonding 변화에 따른 Raman Shift를 추적합니다.
Species Evolution
특정 Component의 생성과 감소를 Potential 또는 Time과 비교합니다.
Disorder / Phase
FWHM과 Band Shape 변화를 이용해 Structural Disorder 또는 Phase 변화를 평가합니다.
Spatial Heterogeneity
Electrode 내부의 Reaction Distribution과 Local Heterogeneity를 분석합니다.
Electrochemical Reaction과 Raman Spectrum을 실제로 동시에 추적
JASCO는 Lithium-ion Battery의 Solid / Liquid Interface를 연구하기 위해 밀폐형 Three-Electrode Cell과 Long Working Distance Objective를 이용한 Operando SHINERS 사례를 공개하고 있습니다. 실험에서는 Cyclic Voltammetry와 Raman Spectrum을 동시에 측정하여 Potential에 따른 Interface Species의 변화를 비교했습니다.
Battery Operando Raman을 위한 Commercial Cell 선택지
NRS Raman System은 연구 목적에 맞는 Third-party Electrochemical / Battery Cell과 조합할 수 있습니다. 아래 제품들은 대표적인 Commercial Example이며, 실제 적용 시에는 Microscope Stage, Objective Working Distance, Optical Window 및 Electrochemical Configuration을 함께 검토합니다.
Battery Electrode를 Reflection Geometry에서 Light Microscopy, Raman 또는 X-Ray로 관찰하기 위해 설계된 Operando Optical Battery Cell입니다.
Low-profile 구조를 사용하여 일반 Microscope Stage 아래에서 Optical Access를 확보하기 쉽고, 2-electrode 또는 3-electrode Setup을 구성할 수 있습니다.
Battery Cycling과 Electrode Raman Measurement를 함께 수행하려는 연구에 적합한 선택지입니다.
Raman Spectroscopy와 Battery Cycling을 결합하기 위한 Three-Electrode Battery Cell입니다.
Compression을 조절하면서 Electrode Stack을 유지할 수 있으며, Gas-tight Construction과 Sapphire Optical Window를 통해 Electrode Surface를 Raman으로 관찰할 수 있습니다.
Li-ion뿐 아니라 Na, Mg, K 계열 등 다양한 Battery Chemistry 연구로 확장할 수 있습니다.
Battery Cell을 넘어 Electrode / Electrolyte Interface 연구로
redox.me Raman ECFC type Configuration
Electrochemical Flow Cell은 Working Electrode Surface 위로 Electrolyte를 공급하면서 Electrochemical Reaction과 Raman Spectrum을 동시에 관찰하는 방식입니다.
Raman Laser는 Sapphire Window와 얇은 Electrolyte Layer를 통과하여 Working Electrode Surface에 Focus합니다.
이러한 구성은 Battery Electrode뿐 아니라 Electrocatalysis, Surface Reaction, Polymer Electrochemistry, Electrolyte Interface 연구에 활용할 수 있습니다.
Working Electrode, Reference / Counter Electrode, Electrolyte Inlet / Outlet과 Sapphire Window를 하나의 Cell에 구성합니다.
Manufacturer Specification 기준 Optical Path는 Sapphire Window를 포함해 약 3.25 mm이며, Raman Laser를 Working Electrode Surface에 Focus하도록 설계되어 있습니다.
NRS Microscope에서는 Cell Geometry에 맞는 Long Working Distance Objective를 사용하여 Optical Window를 통해 Electrode Interface를 관찰할 수 있습니다.
Multi-laser Configuration을 이용하면 Fluorescence, Raman Signal 및 Cell Window 특성에 따라 Excitation Wavelength도 검토할 수 있습니다.
Gas + Electrolyte + Potential이 동시에 작용하는 Interface
GDE Operando Raman
Gas Diffusion Electrode 연구에서는 Electrode의 한쪽에서 Gas가 공급되고 다른 쪽에서는 Electrolyte와 Electrochemical Potential이 작용합니다.
Raman-compatible GDE Cell은 Gas Compartment, Electrolyte Compartment, Working Electrode와 Optical Window를 결합하여 작동 중 Electrode Surface를 관찰할 수 있도록 설계됩니다.
이러한 방식은 CO₂ Electroreduction, Fuel Cell, Metal-Air Battery 및 Gas-phase Electrocatalysis 연구로 확장할 수 있습니다.
Gas Compartment와 Liquid / Electrolyte Compartment 사이에 Gas Diffusion Electrode를 배치하고, Sapphire Window를 통해 Raman Laser를 Electrode Surface에 Focus합니다.
2- 또는 3-electrode Configuration이 가능하며, Gas Flow와 Electrochemical Reaction을 동시에 유지하면서 Raman Measurement를 수행하는 구조입니다.
Gas Diffusion Electrode를 Optical Method로 관찰하기 위해 설계된 Battery / Electrochemistry Cell Platform입니다.
Metal-Air Battery와 같이 Gas Electrode가 실제로 작동하는 동안 Optical Access가 필요한 연구에서 검토할 수 있습니다.
Electrochemical Raman으로 볼 수 있는 연구 영역
Li-ion Battery
Graphite, NMC, LTO 등의 Charge / Discharge 중 Structural Change를 추적합니다.
Next-generation Battery
Na, Mg, K 및 기타 Metal-ion Battery Material의 Phase 변화를 연구합니다.
SEI / Interface
Electrode / Electrolyte Interface와 SEI 관련 Chemical Change를 관찰합니다.
Electrocatalysis
Potential에 따라 Surface Species와 Reaction Intermediate가 어떻게 변하는지 추적합니다.
CO₂ Reduction
GDE Surface와 Electrolyte Interface의 Reaction State를 Operando Raman으로 분석합니다.
Fuel Cell
Gas Electrode의 Surface Chemistry와 Electrochemical Condition을 연결합니다.
Supercapacitor
Potential에 따른 Electrode Structure와 Surface State 변화를 연구합니다.
SERS / SHINERS
Raman Enhancement를 이용해 Electrode Interface의 약한 Raman Signal을 연구합니다.
Cell 이름보다 먼저 확인해야 할 4가지
Working Distance
Cell Height, Window, Electrolyte Layer를 고려하여 Objective Working Distance를 결정합니다.
Optical Window
Laser Wavelength와 Raman Range에 적합한 Quartz 또는 Sapphire Window를 검토합니다.
Electrochemical Geometry
2- 또는 3-electrode, Electrode Position 및 Current Distribution을 고려합니다.
Sealing / Atmosphere
Aprotic Electrolyte, Glove Box Assembly, Gas-tightness 및 Gas Flow 필요 여부를 확인합니다.
실험 목적에 따라 Cell Geometry를 선택
| 연구 목적 | 권장 Cell Type | 주요 특징 | Representative Example |
|---|---|---|---|
| Battery Charge / Discharge | Optical Battery Cell | Electrode Stack + Optical Window + Battery Cycling | EL-CELL ECC-Opto-10 |
| Three-Electrode Battery | Compression-controlled Raman Cell | WE / RE / CE + Compression + Gas-tight | redox.me Raman Three-Electrode Battery Cell |
| General Electrochemistry | Raman Flow Cell | Electrolyte Flow + Surface Raman + 2 / 3 Electrode | redox.me Raman ECFC |
| CO₂RR / Fuel Cell | GDE Raman Cell | Gas + Electrolyte + Potential + Optical Window | redox.me GDE Raman ECFC |
| Metal-Air Battery | Optical GDE Cell | Gas Diffusion Electrode + Optical Access | EL-CELL ECC-Opto-Gas |
※ NRS Series와의 실제 구성은 Stage Clearance, Objective Working Distance, Cell Height, Window Thickness, Laser Wavelength 및 Electrochemical Condition을 확인한 후 결정해야 합니다.
※ 특정 Third-party Cell을 사용한다고 해서 모든 NRS Configuration과 자동으로 호환되는 것은 아닙니다.
Operando Raman의 난이도에 따라 Raman Platform도 달라집니다.
| Platform | Position | Operando Research |
|---|---|---|
| NRS-4500 | General Raman | Basic Charge / Discharge · Material Identification · General In-situ |
| NRS-5000 Series | Advanced Operando | Multi-laser · DSF · Low-wavenumber · Advanced Battery / Electrochemistry |
| NRS-7000 Series | High-resolution Operando | Small Peak Shift · Stress · Crystal Phase · High-resolution Structural Change |
Voltage Curve만으로는 Electrode 내부에서 무엇이 변했는지 모두 알 수 없습니다.
Electrochemical Data는 Battery 또는 Catalyst가 어떻게 작동하고 있는지를 보여줍니다.
Raman Spectrum은 그 작동 과정에서 Material Structure와 Interface Chemistry가 어떻게 변하는지 보여줄 수 있습니다.
두 데이터를 연결하면 Potential / Current → Raman Spectrum → Phase / Interface → Performance 로 이어지는 Operando Analysis가 가능해집니다.
중요한 것은 Cell 자체가 아니라 연구하고 싶은 Interface에 Raman Laser를 어떻게 전달하고, Electrochemical State와 Spectrum을 어떻게 연결할 것인가입니다.
어떤 Battery 또는 Electrochemical Reaction을 Raman으로 보고 싶으신가요?
Electrode Material, Battery Chemistry, 2 / 3-electrode 여부, Electrolyte, Charge / Discharge Condition, Laser Wavelength 및 분석하려는 Interface를 알려주시면 NRS Series와 적합한 Electrochemical Cell 구성을 검토해드립니다.
