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研究人員利用核磁共振波譜設計更安全、更高性能的鋰電池

來(lái)源:  發(fā)布時(shí)間:2024年05月25日 作者:

近日發(fā)表的一篇論文中,某團隊詳細介紹了如何利用核磁共振光譜技術(shù)設計鋰金屬電池的陽(yáng)極表面。這項研究提供了新的數據和解釋?zhuān)f(shuō)明這些方法如何為這些表面的結構提供了獨特的視角,對電池研究界提供幫助。

鋰金屬是元素周期表中最活躍的元素之一,在正常使用電池的過(guò)程中很容易形成鈍化層,影響陽(yáng)極本身的結構。這種鈍化層就像銀器或珠寶開(kāi)始褪色時(shí)產(chǎn)生的鈍化層,但由于鋰的活性非常高,電池中的鋰金屬陽(yáng)極一接觸電解液就會(huì )開(kāi)始"褪色"。


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鈍化層的化學(xué)成分會(huì )影響鋰離子在電池充電/放電過(guò)程中的移動(dòng)方式,并最終影響系統內部是否會(huì )長(cháng)出導致電池性能不佳的金屬絲。迄今為止,測量鈍化層(電池界稱(chēng)之為固體電解質(zhì)相間層(SEI))的化學(xué)成分,同時(shí)捕捉位于該層中的鋰離子如何移動(dòng)的信息幾乎是不可能的。

新研究提出了利用核磁共振 (NMR) 光譜方法將鋰鈍化層的結構與其在電池中的實(shí)際功能聯(lián)系起來(lái)的案例。

NMR 使研究人員能夠直接探測鋰離子在鋰金屬陽(yáng)極與其鈍化層之間的界面上移動(dòng)的速度,同時(shí)還能讀出該表面上存在的化合物。雖然電子顯微鏡等其他表征方法可以提供鋰金屬表面 SEI 層的清晰圖像,但它們無(wú)法精確定位無(wú)序物種的確切化學(xué)成分,也無(wú)法"看到"離子傳輸。其他可以探測鋰在界面上傳輸的技術(shù),如電化學(xué)分析,也不能提供化學(xué)信息。


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通過(guò)研究在過(guò)去六年中收集的數據,該研究小組發(fā)現核磁共振可以獨特地感知鋰金屬上 SEI 中化合物結構的變化,這是解釋鋰金屬一些難以捉摸的結構-性能關(guān)系的關(guān)鍵。研究人員認為,將核磁共振、其他光譜學(xué)、顯微鏡、計算機模擬和電化學(xué)方法等多種技術(shù)結合起來(lái),對開(kāi)發(fā)和推進(jìn)鋰金屬電池的發(fā)展十分必要。

當研究人員將鋰金屬暴露在不同的電解質(zhì)中時(shí),往往會(huì )觀(guān)察到不同的性能指標。核磁共振實(shí)驗表明,這些性能變化的產(chǎn)生是因為不同的電解質(zhì)成分會(huì )產(chǎn)生不同的 SEI 成分,并以不同的速率將鋰離子輸送到陽(yáng)極表面。具體來(lái)說(shuō),當鋰電池性能提高時(shí),鋰與表面的交換率也會(huì )增加。他們現在還能看到鈍化層應該如何布置。為了達到最佳性能,不同的化合物必須在 SEI 中層層疊加,而不是隨機分布。

一旦知道發(fā)生了哪些結構變化--例如,氟化鋰等是否變得無(wú)定形、有缺陷、納米大小--那么我們就可以有意識地對這些變化進(jìn)行工程設計,并設計出符合商業(yè)化所需的性能指標的鋰金屬電池。核磁共振實(shí)驗是為數不多的能夠完成這項任務(wù)的實(shí)驗之一,它為我們提供了推動(dòng)負極表面設計向前發(fā)展所必需的信息。





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