Tim Columbia Engineering-a objavio je rad u časopisu Joule koji opisuje kako se tehnike spektroskopije nuklearne magnetne rezonance mogu koristiti za dizajniranje površine anode u litijum metalnim baterijama. Istraživači takođe predstavljaju nove podatke i tumačenja o tome kako se ovaj metod može koristiti za sticanje jedinstvenog uvida u strukturu ovih površina koje će podeliti sa terenom.
„Verujemo da, naoružani svim podacima koje smo prikupili, možemo pomoći da se ubrza dizajn litijum metalnih baterija i da ih učini bezbednim za potrošače, što ljudi pokušavaju da urade više od četiri decenije“, rekao je vođa tima Lauren Marbella, vanredni profesor hemijskog inženjerstva.
Baterije koje koriste litijum-metalnu anodu umesto grafitne anode, poput onih koje se koriste u našim mobilnim telefonima i električnim vozilima, omogućiće pristupačnije i raznovrsnije elektrificirane načine transporta, uključujući polu-kamione i male avione. Na primer, cena baterija za električna vozila bi se smanjila dok bi istovremeno nudili veći domet (od 400 km do >600 km).
Ali komercijalizacija litijum metalnih baterija je još uvek daleko u budućnosti. Metalni litijum je jedan od najreaktivnijih elemenata u periodičnoj tabeli i lako razvija pasivacioni sloj koji utiče na strukturu same anode tokom normalne upotrebe baterije. Ovaj pasivacijski sloj je poput sloja koji se razvija kada srebrni predmeti ili nakit počnu da tamne, ali pošto je litijum tako reaktivan, litijum metalna anoda u bateriji će početi da „tamni“ čim dodirne elektrolit.
Hemija pasivacionog sloja utiče na to kako se litijum joni kreću tokom punjenja/pražnjenja baterije, što na kraju utiče na to da li metalni filamenti koji dovode do loših performansi baterije rastu unutar sistema.
Do sada, merenje hemijskog sastava sloja pasivacije, poznatog u zajednici baterija kao interfaza čvrstog elektrolita (SEI), dok istovremeno hvatanje informacija o tome kako se litijum joni koji se nalaze u tom sloju kreću, bilo je skoro nemoguće.
Marbella je primetio: „Ako bismo imali ove informacije, mogli bismo da počnemo da pravimo veze sa određenim SEI strukturama i svojstvima koja vode do baterija visokih performansi.
Studija Joule otkriva nedavna istraživanja, od kojih je većina Marbella grupa vodila ili doprinela, kako bi se predstavio slučaj za korišćenje metoda spektroskopije nuklearne magnetne rezonance (NMR) za povezivanje strukture pasivacionog sloja na litijumu sa njegovom stvarnom funkcijom u bateriji. .
NMR omogućava istraživačima da direktno ispitaju koliko brzo se litijum joni kreću na interfejsu između litijum metalne anode i njenog pasivacionog sloja, istovremeno pružajući očitavanje hemijskih jedinjenja koja su prisutna na toj površini.
Dok druge metode karakterizacije, poput elektronske mikroskopije, mogu pružiti upečatljive slike SEI sloja na površini metala litijuma, ne mogu precizno odrediti tačan hemijski sastav neuređenih vrsta, niti mogu „videti“ transport jona. Druge tehnike koje mogu ispitati transport litijuma preko interfejsa, kao što su elektrohemijske analize, ne daju hemijske informacije.
Ispitujući podatke prikupljene u laboratoriji u Marbelji u poslednjih šest godina, tim je otkrio da NMR može jedinstveno da oseti promene u strukturi jedinjenja u SEI na metalu litijuma, što je ključno za objašnjenje nekih od njegovih neuhvatljivijih odnosa strukture i svojstava.
Istraživači veruju da će kombinovanje više tehnika, kao što su NMR, druge spektroskopije, mikroskopija, kompjuterske simulacije i elektrohemijske metode, biti neophodno za razvoj i unapređenje razvoja litijum metalnih baterija.
Kada istraživači izlažu metal litijum različitim elektrolitima, često primećuju različite metrike performansi. NMR eksperiment u Marbelji pokazuje da ove promene u performansama nastaju zato što različite kompozicije elektrolita stvaraju različite sastave SEI i isporučuju litijum jone na površinu anode različitim brzinama.
Konkretno, kada se poboljšaju performanse litijum-metalne baterije, povećava se stopa razmene litijuma sa površinom. Oni sada takođe mogu da vide kako treba da se rasporedi sloj pasivacije. Da bi se postigle najbolje performanse, različita hemijska jedinjenja moraju biti naslagana jedno na drugo u SEI, a ne nasumično raspoređena.
Eksperimenti razmene prikazani u novoj studiji mogu da koriste naučnici materijala da pomognu u pregledu formulacija elektrolita za litijum metalne baterije visokih performansi, kao i da identifikuju površinska jedinjenja u SEI koja su potrebna za visoke performanse. Marbella dodaje da je NMR jedna od jedinih tehnika – ako ne i jedina – koja može ispitati lokalne strukturne promene jedinjenja u SEI-u da bi se pozabavilo kako jonski izolacioni materijali mogu omogućiti brz transport litijum-jona u SEI.
„Kada saznamo koje strukturne promene se dešavaju – na primer, da li stvari kao što su litijum fluorid postaju amorfne, defektne, nano-veličine – onda možemo namerno da ih konstruišemo i dizajniramo litijum-metalne baterije koje ispunjavaju metriku performansi koja je potrebna za komercijalizaciju. NMR Eksperiment je jedan od retkih koji može da postigne ovaj zadatak i da nam da same informacije neophodne za guranje dizajna površine anode napred.“
Grupa iz Marbelje trenutno koristi razmenu NMR u kombinaciji sa elektrohemijom kako bi pružila dublje razumevanje sastava i svojstava SEI u različitim elektrolitima za litijum metalne baterije. Oni takođe razvijaju sisteme koji mogu da odrede ulogu pojedinačnih hemijskih komponenti u litijum-jonskom transportu kroz SEI.
