研究锂离子电池与核磁共振技术

克莱门斯Anklin

副总统核磁共振应用&训练,力量BioSpin

技术进步推动我们的“总是”文化导致了巨大的强大和世界范围内的需求,至关重要的是,充电电池。这种转变所带来的便携设备如笔记本电脑和移动电话是最明显的原因。再加上电动汽车的日益普及,增加承认气候变化和替代能源解决方案的必要性,很明显的增长轨迹。

这个全球激增的便携式电子设备和贪得无厌的胃口改进的性能驱动电池优化研究。的高能量密度和电化学势(李)使得锂锂离子电池(LIBs)是世界上最受欢迎的选择。他们最初的发展自1970年代以来,库使重大的技术创新,与第一可充电模型由索尼公司于1991年推出。

优化电池材料和改善交通目标离子的性质,同时降低成本,需要了解潜在的化学材料。的发展原位测量技术,如核磁共振光谱,包括核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)谱,和成像技术,如核磁共振成半岛综合体育官方APP下载德甲像(MRI)是进步铺平了道路。

锂离子电池如何工作?

充电电池依靠电化学反应,化学能转化为电能,反之亦然,通过离子和电子的运动在两个电极之间的电解质,阳极和阴极。

放电时,锂离子携带电池内的当前从阳极到阴极电解液和分隔符。充电时,外部电气电源适用于电压高于电池生产,迫使在电池充电电流从阴极到阳极。然后锂离子从阴极移动到阳极,在那里他们成为多孔夹层的阳极材料(图1)。

图1所示。锂离子电池工作原理的示意图。¹

延长电池寿命

自由的研究集中在固体电解质界面(SEI)上形成阳极电池第一次充电,这是其长期运行的关键。形成一个稳定的SEI决定了许多性能参数。然而,充电期间,当李离子向阳极移动,他们可能进行电镀,导致树突的形成,从而导致电池短路和着火。目前知之甚少如何防止树突的形成。

理解树突的微观结构特征、生长机制和关键因素的作用如电流密度、电解液盐、溶剂和添加剂对自由研究的进步是至关重要的,确保电池安全。有许多用于电解质的添加剂抑制枝晶的形成,但他们的消费由SEI²经常使他们长期无效。

核磁共振半岛综合体育官方APP下载德甲光谱学

核磁共振的发展改善了SEI的理解使分离和定量识别层的许多方面。例如,⁷李和¹⁹F魔角旋转(MAS)核磁共振光谱学使氟化锂的识别和量化(生活)在S半岛综合体育官方APP下载德甲EI阳极电极在充电中。³测量阴极的李损失百分比可以让研究人员更好地理解SEI的稳定性和对自由生活的影响。

动态核极化(DNP)研究了低温(LT)固态核磁共振,使表面敏感的描述复杂的、异构的SEI层。Leskeset al。发现MAS-DNP可以增加SEI检测的灵敏度降低石墨烯氧化物(rGO)在锂离子电池阳极。⁴天然丰度¹³C光谱可以在几小时内获得(图2),与核磁共振没有DNP需要同位素浓缩和需要超过一天获得信号。这可能提供有机阶段由SEI的指纹。这种方法可以用来研究小说电解液成分和发展电解液添加剂,可用于调整和控制SEI层的性质。

图2。¹H -¹³C CP MAS-DNP频谱的骑车rGO电极浸满16毫米TEKPoL TCE收购在100 K和10 kHz MAS没有(灰色)和(黑)微波辐射。显然与星号标记和可能的官能团转让/阶段在SEI红色所示。适应Leskes许可et al。”Surface-sensitive核磁共振检测固体电解质界面层降低石墨烯氧化物”,期刊。化学。列托人。8日,1078 - 1085 (2017)。https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b02590。版权2017年美国化学学会。

树突增长也可以使用核磁共振方法监测和量化。李峰的强度变化在骑自行车可以与树突的生长熔敷金属微观结构与平稳。一项研究发现,原位核磁共振可以确定90%的李沉积在缓慢的李/ LiCoO₂电池是树突。⁵核磁共振可以用来树突抑制系统的测试方法,如电解液添加剂,先进的分隔符,细胞压力、温度和电化学循环条件。⁶加之SEI和新型电池材料的定量测定在operando表明,NMR光谱可以帮助发展的创新半岛综合体育官方APP下载德甲自由设计。

EPR:互补的技术

除了核磁共振、电子顺磁共振光谱学是适合学习李金属半岛综合体育官方APP下载德甲物种的进化在operando。与核磁共振相比,EPR表面选择性更高,因为低的微波穿透深度进入批量,使区分批量和细结构锂树突(图3)。⁷

图3。不同的形态检测锂力量E540 ELEXSYS x波段光谱仪配备4108 TMHS谐振器。上图:长满青苔的锂(绿色);底部:大部分锂(黑)。改编自参考7按照创作共用署名4.0国际许可证。

电子顺磁共振成像现在被用于调查激进的氧物种的形成和消失在新电池作为当前利率的函数,潜力,休息时间,电解质或温度。

获得与MRI空间信息

除了光谱,核磁共振是一个强大的半岛综合体育官方APP下载德甲、非侵入性技术提供时间分辨和定量信息发生变化的电解质和电极内自由。类似于核磁共振,MRI能够检测和本土化锂组织建设,但却提供空间信息的额外好处,允许特定的结构变化是局部的。研究人员已经能够重建3 d图像的树突,阐明他们的增长率和分形行为(图4)。⁸

图4。系列的磁场地图在放电时间间隔,然后负责细胞。故事情节是由细胞的放电容量标签的每一步。磁场将引用映射到生成的字段映射完全充电电池。从引用复制9按照创作共用署名4.0国际许可证。

未来的电池

分析技术的发展在过去的40年里对电池行业有很大影响。技术,如电子和光学显微镜提供高分辨率成像,他们常常局限于表面成像和定量很难解释。NMR和电子顺磁共振光谱半岛综合体育官方APP下载德甲都非侵入性方法与定量能力,和研究继续提高灵敏度,提高分辨率。

近年来重大进展已经改善充电填词的功能。更深入地理解可能的替代电极材料、电解液成分(李盐、溶剂和添加剂),和过程管理SEI和树突的形成铺平了道路安全LIBs与更高的能量密度。

新材料的快速发展,如高容量阴极与更高的工作电压,可以为电解质和界面化学构成挑战。创新正在会见了先进的分析技术,如EPR和核磁共振光谱和核磁共振成像,以确保自由的研究继续提供未来的能源存储解决方案。半岛综合体育官方APP下载德甲

引用

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