Использование магнитно-резонансной спектроскопии для проектирования эффективных литиевых батарей

Кредит: Unsplash/CC0

Колумбийная инженерная команда опубликовала статью в журнале Joule, в которой подробно описывается, как можно использовать методы ядерной магнитно -резонансной спектроскопии для разработки поверхности анода в литий -металлических батареях.Исследователи также представляют новые данные и интерпретации для того, как этот метод можно использовать для получения уникальной информации о структуре этих поверхностей, чтобы поделиться с этой областью.

«Мы считаем, что, вооруженные всеми данными, которые мы собрали вместе, мы можем помочь ускорить дизайн литий -металлических батарей и помочь им в безопасности для потребителей, что люди пытались делать на протяжении более четырех десятилетий», - сказалЛидер команды Лорен Марбелла, доцент кафедры химического машиностроения.

Батареи, которые используют литий-металлический анод вместо графитового анода, как те, которые используются в наших мобильных телефонах и электромобилях, будут обеспечивать более доступные и универсальные электрифицированные способы транспорта, включая полу-грузы и небольшие самолеты.Например, цена аккумуляторов электромобилей уменьшится, одновременно предлагая более длительный диапазон (от 400 км до> 600 км).

Но коммерциализация литий -металлических батарей все еще будет далеко в будущем.Литийский металл является одним из наиболее реактивных элементов на периодической таблице и легко развивает пассивирующий слой, который влияет на структуру самого анода во время обычного использования батареи.Этот слой пассивации похож на слой, который развивается, когда серебро или украшения начинают запятнать, но поскольку литий настолько реактивный, литий -металлический анод в батарее начнет «запятнать», как только он касается электролита.

Химия пассивированного слоя влияет на то, как ионы лития движутся во время зарядки/разрядки батареи, что в конечном итоге влияет на то, увеличиваются ли металлические нити, которые приводят к плохим характеристикам батареи внутри системы.

До сих пор измерение химического состава слоя пассивации, известного сообществом аккумуляторов как сплошной электролит -интерфазы (SEI), одновременно захватывая информацию о том, как ионы лития, расположенные в этом слое, движутся рядом, почти невозможно.

Марбелла отметила: «Если бы у нас была эта информация, мы могли бы начать подключение к конкретным структурам и свойствам SEI, которые приводят к высокопроизводительным батареям».

Исследование Joule перегоняет недавнее исследование, в котором многое из группы MarbellПолем

ЯМР позволяет исследователям непосредственно исследовать, как быстро движутся ионы лития на границе раздела между литием -металлическим анодом и его пассивированным слоем, а также обеспечивает считывание химических соединений, которые присутствуют на этой поверхности.

В то время как другие методы характеристики, такие как электронная микроскопия, могут обеспечить поразительные изображения слоя SEI на поверхности литиевого металла, они не могут точно определить химический состав неупорядоченных видов, и при этом не могут «увидеть» перенос ионов.Другие методы, которые могут исследовать перенос лития по всему границе, например, электрохимический анализ, не предоставляют химическую информацию.

Изучая данные, собранные в лаборатории Марбельи за последние шесть лет, команда обнаружила, что ЯМР может уникально ощущать изменения в структуре соединений в SEI на литий-металле, что является ключом к объяснению некоторых из его более неуловимых отношений между структурой.

Исследователи считают, что комбинирование нескольких методов, таких как ЯМР, другие спектроскопии, микроскопия, компьютерное моделирование и электрохимические методы, будет необходимо для разработки и развития развития литий -металлических батарей.

Когда исследователи подвергают литиевый металл на разные электролиты, они часто наблюдают за различными показателями производительности.Эксперимент Марбельи ЯМР показывает, что эти изменения в производительности возникают, потому что различные композиции электролитов создают различные композиции SEI и доставляют литий -ионы на поверхность анода с разными скоростями.

В частности, когда производительность лития металлической батареи улучшается, скорость обмена лития с поверхностью увеличивается.Теперь они могут также увидеть, как должен быть расположен слой пассивации.Чтобы достичь наилучшей производительности, различные химические соединения должны быть наложены друг на друга в SEI, а не случайным образом распределенным.

Эксперименты по обмену, продемонстрированные в новом исследовании, могут использоваться учеными-материалами, чтобы помочь экранировать составы электролита для высокопроизводительных литий-металлических батарей, а также идентифицировать поверхностные соединения в SEI, которые необходимы для высокой производительности.Марбелла добавляет, что ЯМР является одним из единственных методов-если не единственная-которая может исследовать локальные структурные изменения соединений в SEI, чтобы учесть, как ионно изолирующие материалы могут позволить быстрому переносу литий-ион в SEI.

«Как только мы узнаем, какие структурные изменения происходят-например, такие вещи, как литиевый фторид, становятся аморфными, дефектными, нано-размером-тогда мы можем намеренно информировать их и разработать литий-металлические батареи, которые соответствуют показателям производительности, необходимыми для коммерциализации. ЯМР.Эксперимент - один из немногих, кто может выполнить эту задачу и дать нам саму информацию, необходимую для продвижения конструкции поверхности анода ».

Группа Марбельи в настоящее время использует Exchange ЯМР в сочетании с электрохимией, чтобы обеспечить более глубокое понимание композиции и свойств SEI в различных электролитах для литий -металлических батарей.Они также разрабатывают системы, которые могут определять роль отдельных химических компонентов в литий-ионном транспорте через SEI.

Больше информации: Используя ЯМР -спектроскопию для связи структуры для функционирования на межфазной электролите LI, джоул (2024).Doi: 10.1016/j.joule.2024.04.016.www.cell.com/joule/fulltext/s2542-4351(24)00200-9 🔗