核磁共振:破解電池老化的神秘成像密碼

研究人員研發出了一種用於評估現實中電池單元長期老化情況的新方法。

美國能源部(DOE)的阿貢國家實驗室(ANL)團隊所採用的方法依賴於核磁共振(NMR),而這是一種常被用於醫學成像的技術。

NMR 光譜學屬於一種非侵入性技術,它利用原子核的磁性來對化學環境進行分析,爲電池材料裡的原子結構和反應提供了見解。

據研究人員所說,這意味着 NMR 光譜學首次能夠精準監測商業軟包電池單元在長期運行過程中的化學變化。

“到目前爲止,核磁共振(NMR)在電池中的應用一直有限。但憑藉我們強大的新能力,我希望對於那些想在不拆解電池的情況下探究其長期演變的研究人員和製造商而言,它能成爲‘家常便飯’,”美國阿貢國家實驗室(ANL)的化學家、該研究的作者之一巴里斯·基(Baris Key)在一份聲明中說道。

爲了將儲存的能量轉化爲電能,在當今的鋰離子電池裡,電解質在兩個電極之間讓鋰離子移動。電動汽車中大多數鋰離子電池的陽極,即負電極,由石墨組成。然而,更長的續航里程需要具有更高能量密度的新電極材料,比如硅。

在硅能夠在陽極中充分發揮其潛力之前,有許多技術問題需要解決。在硅陽極電池的充電過程中,鋰離子和硅相結合,形成了被稱作硅化鋰的物質。

據研究人員所說,這致使陽極的體積增加高達 400%。

當電池放電時,鋰會從陽極離開,從而導致陽極收縮。

由於膨脹與收縮,硅陽極可能會出現破裂。

在 ANL 的研究中,創建並運用了核磁共振光譜技術,來追蹤硅陽極電池在充電和放電過程中鋰原子的去向,隨後還有七個月的休息期。

它類似於醫學中用於提供人體細微圖像的磁共振成像(MRI)。

該團隊的研究類似於對處於運行狀態的電池單元進行磁共振成像(MRIs),但它提供的並非圖像,而是有關充電、放電、靜置和老化過程中鋰的化學環境變化的數據。

“這些信息讓我們能夠弄清楚鋰原子的去向、它們怎樣與其他原子相互作用、有多少鋰原子參與了這些相互作用以及是否存在任何相關的降解。我們的目標是搞明白硅陽極爲何會隨着時間推移而降解,”美國阿貢國家實驗室的博士後研究員、該研究的主要作者伊芙琳娜·王在一份聲明中說道。

阿貢國家實驗室的研究人員運用核磁共振(NMR)來觀測商業級軟包電池單元的實時老化狀況,這是這種“原位”技術的首次運用。

這種方法能夠在運行過程中對結構和電子變化予以連續監測,這與在拆解電池後進行評估的標準方法形成了對比。爲了提升長循環使用時的耐久性,阿貢國家實驗室的研究人員製造了與商業產品非常相似的電池。

根據他們的研究,充電使得可用鋰的數量減少了,並且由於導致鋰原子形成硅化鋰,從而降低了陽極儲存能量的電位。

受到限制的鋰與電解質的反應加快了降解的速度。通過向電解質中添加鎂鹽,他們提出了依靠減少這些被困硅化鋰的形成來延長電池壽命的新辦法。

據研究人員表示,對硅、鋰等元素敏感的靈活的 NMR 技術可應用於不同的電池技術,如固態和鈉離子技術,並且可能爲電池研究組織與行業之間的合作鋪平道路。

該團隊的研究細節在《電源雜誌》上發表。