哥伦比亚工程公司的一项研究揭示了核磁共振波谱如何通过提供对阳极表面结构的详细见解来增强锂金属电池的设计。来源:SciTechDaily.com

　　哥伦比亚大学的工程师们使用了核磁装置南斯光谱学来检测锂离子从一个新的角度看Tal电池——他们的发现可能有助于他们为高性能电池设计新的电解质和阳极表面。

　　今天(5月20日)发表在《焦耳》杂志上的一篇新论文中，哥伦比亚工程公司的一个团队详细介绍了如何利用核磁共振波谱技术来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，对电池研究界有益。

　　“我们相信，有了我们收集的所有数据，我们可以帮助加速锂金属电池的设计，并帮助它们对消费者安全，这是人们40多年来一直在努力做的事情，”该团队的负责人、化学工程副教授劳伦·马贝拉(Lauren Marbella)说。

　　锂离子电池的承诺tal电池

　　使用锂金属阳极而不是石墨阳极的电池，就像我们的手机和电动汽车中使用的电池一样，将使更实惠和多用途的电气化运输方式成为可能，包括半卡车和小型飞机。例如，电动汽车电池的价格会下降，同时提供更长的续航里程(从400公里到>600公里)。

　　商业化的挑战

　　然而，锂金属电池的商业化仍然很遥远。锂金属是元素周期表上最活跃的元素之一，在正常的电池使用过程中，很容易形成钝化层，影响阳极本身的结构。这个钝化层就像银器或珠宝开始失去光泽时形成的钝化层，但由于锂的反应性很强，电池中的锂金属阳极一旦接触电解质就会开始“失去光泽”。

　　钝化层的化学性质会影响电池充电/放电过程中锂离子的移动，最终影响到导致电池性能下降的金属细丝是否会在系统内部生长。到目前为止，测量钝化层的化学成分(被电池界称为固体电解质间相(SEI))，同时捕获位于该层的锂离子如何移动的信息几乎是不可能的。

　　Marbella指出:“如果我们掌握了这些信息，我们就可以开始绘制特定SEI结构和特性的连接，从而实现高性能电池。”

　　来自新研究的见解

　　Joule的研究提炼了最近的研究，其中大部分是Marbella小组领导或贡献的，提出了一个利用核磁共振(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。

　　核磁共振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的移动速度，同时还提供了该表面上存在的化合物的读数。虽然其他表征方法，如电子显微镜，可以提供锂金属表面SEI层的惊人图像，但它们不能精确地确定无序物质的确切化学成分，也不能“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，不能提供化学信息。

　　研究小组检查了马贝拉实验室过去六年收集的数据，发现核磁共振可以独特地感知锂金属上SEI化合物结构的变化，这是解释其一些更难以捉摸的结构-性质关系的关键。研究人员认为，结合多种技术，如核磁共振、其他光谱、显微镜、计算机模拟和电化学方法，将是开发和推进锂金属电池发展的必要条件。

　　通过核磁共振方法的新见解

　　当研究人员将锂金属暴露在不同的电解质中时，他们通常会观察到不同的性能指标。Marbella的核磁共振实验表明，这些性能的变化是因为不同的电解质成分产生不同的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，当锂金属电池性能提高时，锂与表面的交换速率增加。他们现在还可以看到应该如何安排钝化层。为了达到最佳性能，SEI中不同的化合物必须层叠在一起，而不是随机分布。

　　新研究中展示的交换实验可以被材料科学家用来帮助筛选高性能锂金属电池的电解质配方，以及识别高性能所需的SEI表面化合物。Marbella补充说，核磁共振是唯一的技术之一——如果不是唯一的——可以探测SEI中化合物的局部结构变化，以解决离子绝缘材料如何在SEI中实现锂离子的快速传输。

　　“一旦我们知道发生了什么结构变化-例如，像氟化锂这样的东西变得无定形，有缺陷，纳米级-然后我们可以有意地设计这些，并设计出满足商业化所需性能指标的锂金属电池。”核磁共振实验是少数能够完成这项任务的实验之一，它为我们提供了推动阳极表面设计向前发展所必需的信息。”

　　未来的发展方向

　　展望未来，Marbella的团队将继续将核磁共振与电化学相结合，以加深他们对锂金属电池不同电解质的SEI组成和特性的理解。他们还在开发方法，以确定单个化学成分在促进锂离子通过SEI传输中的作用。

　　参考文献:“使用核磁共振波谱将Li固体电解质界面的结构与功能联系起来”，2024年5月20日，焦耳。