哥伦比亚大学利用核磁共振光谱来设计锂电池 更安全且性能更卓越

盖世汽车讯 据外媒报道，哥伦比亚大学工程学院（Columbia Engineering）的团队提出利用核磁共振光谱技术来设计锂金属电池的阳极表面。研究人员还提供了新的数据和解释，以阐明如何使用这种方法来获得对这些表面结构的独特见解，以便与相关领域分享。

（图片来源：哥伦比亚大学）

该团队的负责人、化学工程副教授Lauren Marbella表示：“研究人员认为，凭借所收集的所有数据，我们可以帮助加速锂金属电池设计，以及促进其为消费者提供安全的服务。这是人们40多年来一直在为之努力的事情。”

锂金属电池的前景

这些电池使用锂金属阳极而不是石墨阳极（比如手机和电动汽车中使用的电池），有助于实现更实惠和多用途的电气化运输方式，包括半挂式卡车和小型飞机。举例来说，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公里到超过600公里）。

难以实现商业化的原因

然而，锂金属电池的商业化似乎遥遥无期。金属锂是元素周期表上活性最强的元素之一，它在正常电池使用期间很容易形成钝化层，从而影响阳极本身的结构。这种钝化层就像银器或珠宝开始变色时形成的那一层，但由于锂的活性很强，电池中的锂金属阳极一接触电解质就会开始变色。

钝化层的化学性质会影响锂离子在电池充放电过程中的移动方式，最终影响系统内部是否会生长导致电池性能不佳的金属丝。到目前为止，测量钝化层（即SEI，固体电解质界面层）的化学成分，同时收集有关锂离子如何在该层中移动的信息，几乎是不可能的。Marbella指出：“如果掌握了这些信息，研究人员就可以将特定SEI结构与性能联系起来，从而打造出高性能电池。”

新研究结果

这项研究总结了最近的研究工作（其中大部分由Marbella团队领导或贡献），提出利用核磁共振（NMR）光谱法将锂上钝化层结构与其在电池中的实际功能联系起来的解决方案。

借助NMR，研究人员能够直接探测锂离子在锂金属阳极及其钝化层之间的界面上移动的速度，同时提供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）可能提供锂金属表面上SEI层的醒目图像，但它们不能准确定位无序物种（disordered species）的确切化学成分，也“看不到”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），则无法提供化学信息。

通过检查过去六年Marbella实验室收集的数据，该团队发现NMR可以独特地感知锂金属上SEI中化合物结构的变化，这是解释其中一些更难以捉摸的结构-性能关系的关键。研究人员认为需要结合多种技术来开发和推进锂金属电池的发展，如NMR、其他光谱学、显微镜、计算机模拟和电化学方法。

利用NMR法提出新见解

当将锂金属暴露在不同的电解质中，研究人员经常会观察到不同的性能指标。Marbella的NMR实验表明，这些性能变化是因为不同电解质成分产生了不同的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。现在，研究人员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。

材料科学家利用新研究中展示的交换实验，帮助筛选用于高性能锂金属电池的电解质配方，以及识别实现高性能所需的SEI表面化合物。Marbell表示，作为独有的技术之一，NMR可以探测SEI中化合物的局部结构变化，以发现离子绝缘材料如何在SEI中实现锂离子快速传输。

Marbella指出：“一旦了解所发生的结构变化，例如氟化锂等物质是否变成无定形、有缺陷、纳米级，研究人员就可以有意识地进行相关设计，同时实现可以满足商业化所需性能指标的锂金属电池。作为少数能够完成这项任务的实验之一，NMR实验为我们提供了推进阳极表面设计所必需的信息。”

展望未来

目前，Marbella的团队正在使用交换NMR（exchange NMR）与电化学相结合的方法，以更深入地了解在不同锂金属电池电解质中SEI的组成和性能。此外，研究人员还在开发相关系统，以确定在锂离子通过SEI传输的过程中单个化学成分起到的作用。