Разработка более безопасных и высокопроизводительных литиевых батарей с использованием магнитно-резонансной спектроскопии

Инженеры Колумбийского университета используют спектроскопию ядерного магнитного резонанса для изучения литий-металлических батарей через новую линзу — и их результаты могут помочь им разработать новые электролиты и анодные поверхности для высокопроизводительных батарей.

Нью-Йорк, Нью-Йорк – 20 мая 2024 г. – А Колумбия Инжиниринг Сегодня команда опубликовала в журнале Joule статью, в которой подробно описывается, как методы ЯМР-спектроскопии можно использовать для проектирования поверхности анода в литий-металлических батареях. Исследователи также предоставляют новые данные и объяснения того, как этот метод можно использовать для получения уникального понимания структуры этих поверхностей, чтобы поделиться ими с полевыми исследованиями.

«Мы считаем, что, вооружившись всеми данными, которые мы собрали, мы можем помочь ускорить разработку литий-металлических батарей и сделать их безопасными для потребителей, то, что люди пытаются сделать уже более четырех десятилетий», — заявили в компании. сказали исследователи. лидер группы Лорен МарбельяДоцент Химическая инженерия.

Перспективы литий-металлических аккумуляторов

Батареи, в которых используется металлический литий-анод, а не графитовый анод, например те, которые используются в наших сотовых телефонах и электромобилях, сделают возможным доступный и универсальный электрический транспорт, включая полуприцепы и небольшие самолеты. Например, цена на аккумуляторы для электромобилей снизится при одновременном увеличении запаса хода (с 400 км до более 600 км).

Почему сложно выйти на рынок?

Но коммерциализация литий-металлических батарей еще далека от будущего. Металлический литий является одним из наиболее реактивных элементов в таблице Менделеева, и на нем легко образуется пассивирующий слой, который влияет на структуру самого анода при обычном использовании батареи. Этот пассивирующий слой похож на слой, который образуется, когда серебро или ювелирные изделия начинают тускнеть, но поскольку литий очень реактивен, металлический литий-анод в батарее начнет «тускнеть», как только он вступит в контакт с электролитом.

Химический состав пассивирующего слоя влияет на то, как ионы лития движутся во время зарядки/разрядки аккумулятора, что в конечном итоге влияет на то, будут ли металлические нити, приводящие к ухудшению работы аккумулятора, расти внутри системы. До сих пор было практически невозможно измерить химический состав пассивационного слоя, известного в области аккумуляторов как межфазная фаза твердого электролита (SEI), и одновременно получить информацию о том, как движутся ионы лития в этом слое.

«Если мы получим эту информацию, мы сможем начать устанавливать связи с конкретными структурами и свойствами SEI, которые приводят к созданию высокопроизводительных батарей», — отметил Марбелья.

Выводы из нового исследования

Исследование Юула основано на недавних исследованиях, большая часть которых была Марбелья Групп Возглавил или способствовал использованию методов спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для связи структуры пассивационного слоя лития с его фактической функцией в батарее.

ЯМР позволяет исследователям напрямую исследовать, насколько быстро ионы лития движутся на границе раздела между металлическим литиевым анодом и его пассивирующим слоем, а также считывать химические соединения, присутствующие на этой поверхности. Хотя другие методы определения характеристик, такие как электронная микроскопия, могут обеспечить потрясающие изображения слоя SEI на поверхности металлического лития, они не могут определить точный химический состав неупорядоченных частиц и не могут «увидеть» транспорт ионов. Другие методы, позволяющие исследовать перенос лития через границу раздела, такие как электрохимический анализ, не дают химической информации.

Изучая данные, собранные в лаборатории Марбельи за последние шесть лет, команда обнаружила, что ЯМР может уникальным образом определять изменения в структуре соединений SEI на металлическом литии, что является ключом к объяснению некоторых из наиболее неуловимых взаимосвязей между структурой и свойствами. Исследователи полагают, что сочетание нескольких методов, таких как ядерный магнитный резонанс, другая спектроскопия, микроскопия, компьютерное моделирование и электрохимические методы, будет иметь важное значение для разработки и продвижения литий-металлических батарей.

Применение методов ЯМР открывает новые идеи

Когда исследователи подвергают металлический литий воздействию разных электролитов, они часто наблюдают разные показатели производительности. Эксперимент ЯМР в Марбелье показывает, что эти изменения в производительности возникают из-за того, что разные составы электролитов создают разные составы SEI и доставляют ионы лития к поверхности анода с разной скоростью. В частности, когда производительность литий-металлической батареи улучшается, скорость обмена лития с поверхностью увеличивается. Теперь они также могут увидеть, как устроен пассивирующий слой. Для достижения наилучших результатов различные химические соединения следует располагать в SEI друг над другом, а не распределять случайным образом.

Ученые-материаловеды могут использовать эксперименты по обмену, описанные в новом исследовании, чтобы исследовать составы электролитов для высокопроизводительных литий-металлических батарей, а также идентифицировать поверхностные соединения в SEI, необходимые для высокой производительности. Марбелья добавляет, что ЯМР является одним из немногих методов, если не единственным, который может исследовать локальные структурные изменения соединений в SEI, чтобы выяснить, как ионные буферы могут обеспечить быстрый транспорт ионов лития в SEI. «Как только мы узнаем, какие структурные изменения происходят — например, становятся ли такие вещества, как фторид лития, аморфными, деформированными или наноразмерными, — тогда мы сможем намеренно спроектировать их и разработать литий-металлические батареи, которые соответствуют показателям производительности, необходимым для коммерциализации». Эксперимент Ядерно-магнитные эксперименты — одни из немногих экспериментов, которые могут выполнить эту задачу и предоставить нам важную информацию для дальнейшего развития дизайна поверхности анода.

я с нетерпением жду

Группа в Марбелье в настоящее время использует обменный ЯМР в сочетании с электрохимией, чтобы обеспечить более глубокое понимание формирования и свойств SEI в различных электролитах литий-металлических батарей. Они также разрабатывают системы, которые смогут определить роль отдельных химических компонентов в транспорте ионов лития через SEI.

Об исследовании

Журнал: Юул

Исследование называется «Использование спектроскопии ядерного магнитного резонанса для корреляции структуры и функции в межфазной фазе твердого электролита лития».

Авторы: Асия Севериновская-Арбели.¹Миккель Гельсхольт¹Ричард Мэй²Янг Бум Квон¹Лорен Э. Марбелья¹*

¹Департамент химической инженерии Колумбийского университета

²Департамент землеустройства и экологической инженерии, Колумбийский университет

Исследование было поддержано Карьерной премией Национального научного фонда (NSF) (CBET-2045262) ​​и Исследовательским фондом развития науки посредством стипендиальной премии Коттрелла (28206). К. Он поддерживается Программой постдокторских исследований Климатической школы Колумбийского университета при Колумбийском университете. MJ поддерживается Фондом Carlsberg, грант CF22-0367.

Авторы заявляют об отсутствии финансовых или иных конфликтов интересов.