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開發(fā)新一代鋰離子電池

來(lái)源:布魯克磁共振事業(yè)部   2022年07月25日 09:17  

鋰離子電池以其高能量密度、輕質(zhì)以及充分的充電循環(huán)成為現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備的支柱。由于為電動(dòng)汽車供電、在地方電網(wǎng)中使用大容量電池進(jìn)行負(fù)載均衡等新需求,改進(jìn)電池存儲(chǔ)已成為不斷尋求性能進(jìn)步的研究增長(zhǎng)領(lǐng)域。

 

鋰離子電池以其高能量密度、輕質(zhì)以及充分的充電循環(huán)成為現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備的支柱。由于為電動(dòng)汽車供電、在地方電網(wǎng)中使用大容量電池進(jìn)行負(fù)載均衡等新需求,改進(jìn)電池存儲(chǔ)已成為不斷尋求性能進(jìn)步的研究增長(zhǎng)領(lǐng)域。

 

現(xiàn)在,電子順磁共振(EPR)波譜第一次可用于在電池進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)(在運(yùn)行中),對(duì)電極實(shí)際表面發(fā)生的氧化還原過(guò)程實(shí)時(shí)成像。

 

EPR或電子自旋共振(ESR)波譜是一種著名的波譜技術(shù),可用于研究強(qiáng)磁場(chǎng)中微波激發(fā)的未成對(duì)電子自旋。1原則上類似于核磁共振(NMR),EPR對(duì)于研究涉及存在未配對(duì)電子的金屬?gòu)?fù)合體或有機(jī)基團(tuán)的系統(tǒng)特別有用。

 

通過(guò)將EPR進(jìn)一步推進(jìn)到成像中,類似于磁共振成像(MRI),已為電化學(xué)領(lǐng)域提供了一種強(qiáng)有力的技術(shù),可用于表征在電池的氧化還原循環(huán)期間自由基氧物質(zhì)的形成和消失。

 

在室溫條件下,使用Bruker ELEXSYS E580波譜儀,記錄下閉合電路中的微波兼容電化學(xué)電池在采集期間的EPR波譜。利用Flexline諧振器獲得的更高的脈沖EPR數(shù)據(jù)采集速度和精度,提供了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)具有適當(dāng)?shù)?、微米?jí)分辨率的EPR成像(EPRI)平臺(tái)。

 

現(xiàn)在,EPRI提供了研究新一代高容量電極材料的機(jī)會(huì),并最終能夠以類似于利用掃描電子顯微鏡(SEM)實(shí)現(xiàn)原子可視化的方式,實(shí)現(xiàn)電子密度可視化,而SEM最近已結(jié)合常規(guī)EPR被用于檢查運(yùn)行中的鋰電極。2

 

在《自然》上最近的一篇文章中,概述了利用創(chuàng)新的運(yùn)行中EPR成像波譜法對(duì)一種鋰離子電化學(xué)電池進(jìn)行的研究,該電池使用Li2Ru.0.75Sn0.25O3,高容量富鋰層氧化物作為正極。

 

Ru5+和順磁氧物質(zhì)的運(yùn)行中EPR信號(hào)顯示了超氧化/過(guò)氧 (O2)n- 離子可逆形成的有力證據(jù),它賦予系統(tǒng)以高容量。此外,利用EPRI,實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰在負(fù)極和成核區(qū)的沉積/溶出、以及Ru5+/氧物質(zhì)在正極上的生長(zhǎng)的微米級(jí)分辨率的可視化。

 

原位EPRI仍在發(fā)展,但到目前為止仍缺乏較高的分辨率,不過(guò),正通過(guò)兩條途徑以尋求提高靈敏度和分辨率,(1)梯度強(qiáng)度急劇增強(qiáng)到1Tcm-1;或者(2)使用具有更高B1場(chǎng)的EPR微諧振器,這將需要專門設(shè)計(jì)的微電池供實(shí)驗(yàn)。

 

EPRI的新領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)大量令人興奮的實(shí)驗(yàn),以研究新電池中的氧化還原物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特性與電流率、電位、靜止時(shí)間、電解質(zhì)或溫度的函數(shù)關(guān)系,這將促進(jìn)新型高效電池設(shè)計(jì)的發(fā)展。

 

參考文獻(xiàn)

 

· Lund, A.、Shiotani, M.、Shimida, S.;ESR波譜的原理和應(yīng)用;2011Springer;紐約。

· Wandt J.、Marino C.、Gasteiger H.A.等;運(yùn)行中電子順磁共振波譜——在充放電循環(huán)過(guò)程中在鋰陽(yáng)極上形成苔蘚鋰2015;Energy Environ. Sci.8, 1358。

· Sathiya M.、Leriche J.-B.Salager E.、Gourier D.、Tarascon J.-M.、Vezin H.用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰離子電池的電子順磁共振成像;2015Nature Comm.;6:6276 [DOI: 10.1038/ncomms7276]

 

 

 

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