近日發(fā)表的一篇論文中，某團(tuán)隊(duì)詳細(xì)介紹了如何利用核磁共振光譜技術(shù)設(shè)計(jì)鋰金屬電池的陽(yáng)極表面。這項(xiàng)研究提供了新的數(shù)據(jù)和解釋，說(shuō)明這些方法如何為這些表面的結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)特的視角，對(duì)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(jié)構(gòu)。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"。

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(tǒng)內(nèi)部是否會(huì)長(zhǎng)出導(dǎo)致電池性能不佳的金屬絲。迄今為止，測(cè)量鈍化層（電池界稱之為固體電解質(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(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)鋰在界面上傳輸?shù)募夹g(shù)，如電化學(xué)分析，也不能提供化學(xué)信息。

通過(guò)研究在過(guò)去六年中收集的數(shù)據(jù)，該研究小組發(fā)現(xiàn)核磁共振可以獨(dú)特地感知鋰金屬上 SEI 中化合物結(jié)構(gòu)的變化，這是解釋鋰金屬一些難以捉摸的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的關(guān)鍵。研究人員認(rèn)為，將核磁共振、其他光譜學(xué)、顯微鏡、計(jì)算機(jī)模擬和電化學(xué)方法等多種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，對(duì)開(kāi)發(fā)和推進(jìn)鋰金屬電池的發(fā)展十分必要。

當(dāng)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)觀察到不同的性能指標(biāo)。核磁共振實(shí)驗(yàn)表明，這些性能變化的產(chǎn)生是因?yàn)椴煌碾娊赓|(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(dāng)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(xiàn)在還能看到鈍化層應(yīng)該如何布置。為了達(dá)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(jī)分布。

一旦知道發(fā)生了哪些結(jié)構(gòu)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(shí)地對(duì)這些變化進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)出符合商業(yè)化所需的性能指標(biāo)的鋰金屬電池。核磁共振實(shí)驗(yàn)是為數(shù)不多的能夠完成這項(xiàng)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)之一，它為我們提供了推動(dòng)負(fù)極表面設(shè)計(jì)向前發(fā)展所必需的信息。