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锂电技术| 如何利用核磁共振光谱技术设计锂金属电池的阳极表面

2024-05-27 09:31:03 来源:资源循环研究院
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简介:近日,某团队发表的一篇论文中,详细介绍了如何利用核磁共振光谱技术设计锂金属电池的阳极表面。这项研究提供了新的数据和解释,说明这些方法如何为这些表面的结构提供了独特的视角,对电池研究界提供帮助。
近日,某团队发表的一篇论文中,详细介绍了如何利用核磁共振光谱技术设计锂金属电池的阳极表面。这项研究提供了新的数据和解释,说明这些方法如何为这些表面的结构提供了独特的视角,对电池研究界提供帮助。

在过去的几十年里,锂金属电池一直是电子设备中不可或缺的能量储存装置。然而,由于锂金属电池在充放电循环中产生的金属锂的不稳定性,导致了电池容量下降、寿命缩短等问题。因此,研究人员一直致力于寻找改善锂金属电池性能的方法。

锂金属是元素周期表中最活跃的元素之一,在电池中起着重要作用。然而,在正常使用电池的过程中,锂金属很容易形成钝化层,这会影响阳极本身的结构和性能。

钝化层类似于银器或珠宝开始褪色时形成的一层氧化物薄膜。对于锂金属来说,这种钝化层的主要成分是锂的氧化物,例如锂氧化物(Li2O)或锂过氧化物(Li2O2)。这种钝化层形成的原因是锂金属与电解液中的电解质发生反应,形成了不溶于电解液的氧化物。

锂金属阳极在电池中扮演着接受电子和离子的角色。当电池工作时,锂金属阳极会释放出锂离子,并通过电解质向阴极移动。然而,由于锂金属的高活性,一旦与电解液接触,就会立即开始"褪色",形成钝化层。这种现象被称为锂金属的自腐蚀。

锂离子电池

钝化层的化学成分会影响锂离子在电池充电/放电过程中的移动方式,并最终影响系统内部是否会长出导致电池性能不佳的金属丝。迄今为止,测量钝化层(电池界称之为固体电解质相间层(SEI))的化学成分,同时捕捉位于该层中的锂离子如何移动的信息几乎是不可能的。

新研究提出了利用核磁共振 (NMR) 光谱方法将锂钝化层的结构与其在电池中的实际功能联系起来的案例。

NMR 使研究人员能够直接探测锂离子在锂金属阳极与其钝化层之间的界面上移动的速度,同时还能读出该表面上存在的化合物。虽然电子显微镜等其他表征方法可以提供锂金属表面 SEI 层的清晰图像,但它们无法精确定位无序物种的确切化学成分,也无法"看到"离子传输。其他可以探测锂在界面上传输的技术,如电化学分析,也不能提供化学信息。

锂离子电池

通过研究在过去六年中收集的数据,该研究小组发现核磁共振可以独特地感知锂金属上 SEI 中化合物结构的变化,这是解释锂金属一些难以捉摸的结构-性能关系的关键。研究人员认为,将核磁共振、其他光谱学、显微镜、计算机模拟和电化学方法等多种技术结合起来,对开发和推进锂金属电池的发展十分必要。

当研究人员将锂金属暴露在不同的电解质中时,往往会观察到不同的性能指标。核磁共振实验表明,这些性能变化的产生是因为不同的电解质成分会产生不同的 SEI 成分,并以不同的速率将锂离子输送到阳极表面。具体来说,当锂电池性能提高时,锂与表面的交换率也会增加。他们现在还能看到钝化层应该如何布置。为了达到最佳性能,不同的化合物必须在 SEI 中层层叠加,而不是随机分布。

一旦知道发生了哪些结构变化--例如,氟化锂等是否变得无定形、有缺陷、纳米大小--那么我们就可以有意识地对这些变化进行工程设计,并设计出符合商业化所需的性能指标的锂金属电池。核磁共振实验是为数不多的能够完成这项任务的实验之一,它为我们提供了推动负极表面设计向前发展所必需的信息。

这篇论文的发表为电池研究界提供了新的数据和解释,突破了目前对于锂金属电池阳极表面的认识。通过核磁共振光谱技术,研究人员可以更加全面、准确地了解锂金属电池的工作机制,为电池研究领域提供了有力的工具和方法。相信这项研究将对未来锂金属电池的设计和性能优化产生积极影响。
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