如何优化电池电解质与台式核磁共振

加强能源存储设备的性能,同时保证可持续发展已被广泛公认为科学界的一个重大挑战和工业制造商。

图片来源:牛津仪器磁共振

锂离子电池的市场,目前是首选电池技术对许多不同的应用程序,预计到2030年将达到1160亿美元。为即将到来的代电池成功,至关重要,加强能量和功率密度,随着充放电时间、成本效益、长寿,和安全。

的原理提出了传统锂离子电池的组成部分如图1所示。电解液,当前,起着至关重要的作用在决定性能,安全,商业电池系统成本。然而,它常常被忽视的其他组件,如阴极。

混合使用不同的溶剂、添加剂和锂盐中包含复杂的电解质系统必须精细,确保最优性能和可持续性。

因此,必须使用准确、定量、和可靠的方法描述和分析电解质在整个过程中,从检查传入的原材料开发新配方,确保在大批量生产质量控制。亚博网站下载

图1所示。锂离子电池的示意图。图片来源:牛津仪器磁共振

台式核磁共振光谱学

核磁共振(NMR)谱涉及使用无线电频率的脉冲调查特定同位素的元素出现在液体样品时受到外部磁场。

这种技术提供了洞察的化学结构、浓度、和当地化学环境探测核的样本,包括电解质电池使用。全面了解分析物的结构可以通过探测范围广泛的原子核在不同频率。

宽带台式核磁共振光谱学是一个独特的工具,促进所有组件的定性、定量分析存在于一个复杂的混合电解质。过去,工具仅限于只有少数核和限制在检测大量的化合物。

便携台式核磁共振仪器,与永磁体在室温下操作,现在删除可访问性障碍等大型低温核磁共振系统的成本,维护,空间,和熟练的操作符。

易用性使得便携台式核磁共振仪器适合任务,如快速发展,反应监测,获得快速和精确的结果和质量控制,用于即时反馈和优化是至关重要的。

牛津仪器X-Pulse台式NMR是唯一真正的宽带谱仪,允许研究人员调查任何电解质设计和组合的选择。

的X-Pulse台式NMR谱仪可以收集从大范围的核包括光谱¹H和¹⁹F原子核在高频通道。同时,宽带通道可以激发和探测范围广泛的核,包括¹³李7,C,^31日P,¹¹B,^29日是的,²⁷艾尔,²³Na, 25 - 11兆赫之间拉莫尔频率1.4特斯拉的磁场。

X-Pulse台式NMR的能力来执行二维谱方法与脉冲场梯度和形状的脉冲使研究人员开展的一系列先进实验量化定义电解质性能的特定化学和物理性质。

电池性能、NMR适合哪里?

电池技术通常被认为是五个关键参数之间的平衡。

电荷密度是指的能量储存在一个细胞,而功率密度表示的速率可以提取能量。一生,一生,或者充电周期的测量电荷密度降低的速度有多快。

安全是一个关键考虑电池性能在整个生命周期,是成本有关的能量提供的单位货币。

当今材料研究的目亚博网站下载标是最大化所有这些参数个充电器的化学。图2展示了一些典型的化学电池,如何定义的阴极材料,平衡这些参数。

本文讨论台式NMR如何帮助开发新的电解质化学通过提供快速洞察的物理和化学性质基础关键性能参数。它还将提供一个详细的讨论这些参数。

核磁共振天生定量,可以测量离子浓度(如李+,Na +等等。)这是能量密度的关键。它还可以确定溶剂合成或降解的程度,确保安全。这些测量可以在几秒钟内执行,最大限度地减少成本。

使用一套快速测量,电解液的扩散特性的组件,因此离子导电性,可以计算,允许潜在功率密度的理解化学正在开发。

图2。图表显示的平衡3普通化学电池的关键参数。图片来源:牛津仪器磁共振

电解液成分的快速评估

非水电解质组成的一个有机溶剂或混合溶剂,溶剂将可见的简单¹H NMR谱。不同的化学环境¹H核内的分子产生不同的信号与化学变化特征。

一些信号可以分为紧身衣,三胞胎,或其他多胎,提供有价值的信息其他核磁共振活动星系核的性质在附近,如同位素(元素),距离,和数量。

光谱相似的一个简单的例子,在图3中,可以找到一个¹H频谱是常见的溶剂的混合物在锂离子电池,即碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸二乙酯(DEC)。

图3。¹H的一个简单的溶剂混合电解质的典型。图片来源:牛津仪器磁共振

不同的峰出现的¹H的溶剂的混合物在锂离子电池随处可见。EC和DMC展出一个单线态,而12月显示两个信号,CH₃组信号出现三联体和CH₂由于各自的信号出现作为一个成套的分裂模式。

这可以解释使用n + 1规则,适用于自旋¹H和其他类似的核。根据这一规则,分成n + 1峰值信号如果n等效NMR活动星系核紧邻足以导致耦合。

在这种情况下,三个质子在CH₃导致分裂的CH₂信号到n + 1 = 4, CH₂集团导致CH₃分成三个位置。这种类型的分割提供了有价值的信息对未知化合物的结构。

山峰下的面积成正比的细胞核数量,从而能够量化的组件相互或标准。通过集成的山峰,的比例比由大众可以确定。

同样的原理也可以应用到更复杂的混合物和核¹h .图4显示多核的核磁共振光谱获得商业电池电解液。

所有光谱表现出明确的和不同的信号等包含细胞核的物种¹³C,¹⁹F,^31日P,¹¹B,⁷李。n + 1规则仍然适用¹⁹F和^31日P,甚至在不同核之间存在的耦合。

的^31日P信号分成七个建议六耦合核的存在,虽然¹⁹F信号在−69 ppm是分成两个,指示一个耦合物种的存在。这一事实峰之间的距离在紧身上衣和七重奏是相同的(710.1赫兹)表明这些原子核相互耦合。

这个特征分割模式是典型的(PF₆−,常用的阴离子电解质。这演示了如何使用核磁共振光谱重建甚至未知物种的结构。

信息丰富的NMR技术及其能力位于实验室,新电解液配方正在开发中,可以显著减少开发时间和成本。这使用户能够快速而有效地证实他们的新配方。

图4。多核的核磁共振光谱相同的电解质在单个X-Pulse光谱仪与宽带通道。图片来源:牛津仪器磁共振

质量控制和反应监测最大化安全性和寿命

X-Pulse的高灵敏度和可访问性使它特别适合于快速反应监测和质量控制。其宽带信道允许检测化合物可能在常规不可见¹H和¹³C光谱。

据说在一个案例研究中,两种电解质的解决方案与相同成分表现出显著差异时的性能用于构建一个测试单元。尽管没有明显差异,关于是否有可能出现问题,花时间在之前测试电解液性能建立一个细胞。

的¹H的光谱样本,如图5所示,出现相同,没有洞察问题的根源的混合物,这表明有机溶剂混合物不是可能的原因。

图5。¹H台式NMR光谱两种电解质呈现不同的性能特征。图片来源:牛津仪器磁共振

另一方面,一个¹⁹F NMR光谱揭示了一个额外的紧身上衣的光谱,这对应于一个分解的产物(PF₆]−(如图6)。

根据其化学位移,分解产物可以归因于Difluorophosphoric酸,消息₂(哦),这是一个典型的副产品(PF₆−在水的存在。

另一物种的谱系是生活的副产品(PF的水解反应₆OPF (OH)]−₂和证实了电解质失败引起的水解反应的存在多余的水。

此外,X-Pulse能够准确地测量杂质在电解液浓度低于1%。它可以执行光谱采集和碳排放脱钩,从而消除碳卫星可能重叠或模糊的低浓度杂质或添加剂,如图7所示。

图6。¹⁹F台式NMR光谱两种电解质呈现不同的性能特征。图片来源:牛津仪器磁共振

图7。¹H台式NMR光谱相同的样本(上)和没有(底部)¹³C脱钩。图片来源:牛津仪器磁共振

不仅仅是识别和量化退化和杂质,台式NMR的形式因素意味着,用户可以继续进行测量,其配方中年龄、暴露于典型的实验室环境还是骑在测试细胞。

的理解机制和动力学的恶化负责电解液可以通过调查来完成水解等各种因素,电极相互作用,暴露于高电压,温度变化,如前所述。

通过理解这些过程,制定新的电解质和添加剂的组合可以大大减轻寄生反应和增强细胞的寿命。

水解反应后的过程和理解它的动力学可以如图8所示,一体的领域的高峰¹⁹F谱定期收集。这是通过让李(PF的混合物₆少量的H]和DMC₂O。

图8。¹⁹F峰积分对不同化合物收集每30分钟后暴露李(PF₆在DMC) H₂o .信用形象:牛津仪器磁共振

使用扩散理解功率密度和性能

X-Pulse配备脉冲场梯度,允许实验除了识别和量化的材料。亚博网站下载利用脉冲场梯度自旋回波(PGSE)实验中,个别物种的扩散系数可以确定一个解决方案。

X-Pulse的宽带能力允许调查甚至无机化合物。这是如图9所示,显示李(PF进行了实验₆在DMC)。

一组光谱随着电场强度梯度导致减少信号强度与分子的扩散系数有关。

获得的扩散系数值也可以为电解质提供的关键信息,如他们的离子电导率或阳离子迁移数。通过这个实验反馈回路,电解质的物理性质可以通过目标优化最有效的单独的组件。

的X-Pulse提供了温度变量选项,使所有这些参数的确定在大多数细胞的工作温度范围。

这允许实验来验证基于预测模型构建测试前细胞,这可以大大加快制定优化流程。

图9。PGSE系列测定扩散系数的李(PF₆在DMC)。图片来源:牛津仪器磁共振

总结

以其独特的宽带核磁共振功能,X-Pulse能够为所有人提供精确的分析化合物经常用于电解质,不管工作区。此外,这种分析可以进行电池的标准操作温度范围。

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因此,在现实条件下电解质可以优化的性能。X-Pulse进行的测量,可以支持所有五在本文中讨论的关键性能参数:

• 能量密度
  • 离子浓度(李+,Na +)
• 功率密度
  • 离子电导率和阳离子转移范围的温度
• 安全
  • 原材料的质量
  • 电解液质量和一致性
  • 添加剂的发展
• 寿命
  • 了解电解液降解
  • 添加剂的发展
• 成本
  • 快速、低成本的新配方的分析
  • 降低成本的质量较差

这使得台式核磁共振一个完美的适合支持这个行业将会确保我们星球的未来可持续发展的关键。

这些信息已经采购,审核并改编自牛津仪器磁共振提供的材料。亚博网站下载

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