鋰電技術(shù)| 如何利用核磁共振光譜技術(shù)設(shè)計(jì)鋰金屬電池的陽極表面

2024-05-27 09:31:03 來源：資源循環(huán)研究院

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簡介：近日，某團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一篇論文中，詳細(xì)介紹了如何利用核磁共振光譜技術(shù)設(shè)計(jì)鋰金屬電池的陽極表面。這項(xiàng)研究提供了新的數(shù)據(jù)和解釋，說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，對電池研究界提供幫助。

近日，某團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一篇論文中，詳細(xì)介紹了如何利用核磁共振光譜技術(shù)設(shè)計(jì)鋰金屬電池的陽極表面。這項(xiàng)研究提供了新的數(shù)據(jù)和解釋，說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，對電池研究界提供幫助。

在過去的幾十年里，鋰金屬電池一直是電子設(shè)備中不可或缺的能量儲(chǔ)存裝置。然而，由于鋰金屬電池在充放電循環(huán)中產(chǎn)生的金屬鋰的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了電池容量下降、壽命縮短等問題。因此，研究人員一直致力于尋找改善鋰金屬電池性能的方法。

鋰金屬是元素周期表中最活躍的元素之一，在電池中起著重要作用。然而，在正常使用電池的過程中，鋰金屬很容易形成鈍化層，這會(huì)影響陽極本身的結(jié)構(gòu)和性能。

鈍化層類似于銀器或珠寶開始褪色時(shí)形成的一層氧化物薄膜。對于鋰金屬來說，這種鈍化層的主要成分是鋰的氧化物，例如鋰氧化物(Li2O)或鋰過氧化物(Li2O2)。這種鈍化層形成的原因是鋰金屬與電解液中的電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成了不溶于電解液的氧化物。

鋰金屬陽極在電池中扮演著接受電子和離子的角色。當(dāng)電池工作時(shí)，鋰金屬陽極會(huì)釋放出鋰離子，并通過電解質(zhì)向陰極移動(dòng)。然而，由于鋰金屬的高活性，一旦與電解液接觸，就會(huì)立即開始"褪色"，形成鈍化層。這種現(xiàn)象被稱為鋰金屬的自腐蝕。

鈍化層的化學(xué)成分會(huì)影響鋰離子在電池充電/放電過程中的移動(dòng)方式，并最終影響系統(tǒng)內(nèi)部是否會(huì)長出導(dǎo)致電池性能不佳的金屬絲。迄今為止，測量鈍化層(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)系起來的案例。

NMR 使研究人員能夠直接探測鋰離子在鋰金屬陽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，但它們無法精確定位無序物種的確切化學(xué)成分，也無法"看到"離子傳輸。其他可以探測鋰在界面上傳輸?shù)募夹g(shù)，如電化學(xué)分析，也不能提供化學(xué)信息。

通過研究在過去六年中收集的數(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，對開發(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極表面。具體來說，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定形、有缺陷、納米大小--那么我們就可以有意識地對這些變化進(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。

這篇論文的發(fā)表為電池研究界提供了新的數(shù)據(jù)和解釋，突破了目前對于鋰金屬電池陽極表面的認(rèn)識。通過核磁共振光譜技術(shù)，研究人員可以更加全面、準(zhǔn)確地了解鋰金屬電池的工作機(jī)制，為電池研究領(lǐng)域提供了有力的工具和方法。相信這項(xiàng)研究將對未來鋰金屬電池的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化產(chǎn)生積極影響。