תכנון סוללות ליתיום בטוחות יותר בעלות ביצועים גבוהים יותר עם ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית

מהנדסי קולומביה משתמשים בספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית כדי לבחון סוללות מתכת ליתיום דרך עדשה חדשה – הממצאים שלהם עשויים לעזור להם לתכנן אלקטרוליטים ומשטחי אנודה חדשים לסוללות בעלות ביצועים גבוהים.

צוות מקולומביה הנדסה מפרט כיצד ניתן למנף טכניקות ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית לתכנון משטח האנודה בסוללות מתכת ליתיום במאמר חדש שפורסם היום (20 במאי) בכתב העת ג'אוּל. מחקר זה מציע נתונים ופרשנויות עדכניות על האופן שבו שיטות אלו מספקות פרספקטיבה ייחודית על מבנה המשטחים הללו, המועילות לקהילת מחקר הסוללות.

"אנו מאמינים כי, חמושים בכל הנתונים שאספנו יחד, נוכל לעזור להאיץ את העיצוב של סוללות מתכת ליתיום ולעזור להפוך אותן בטוחות לצרכנים, מה שאנשים מנסים לעשות כבר יותר מארבעה עשורים", אמר מנהיג הצוות לורן מרבלה, פרופסור חבר להנדסה כימית.

ההבטחה של סוללות מתכת ליתיום

סוללות המשתמשות באנודת מתכת ליתיום במקום באנודת גרפיט, כמו אלו המשמשות בטלפונים הסלולריים ובכלי הרכב החשמליים שלנו, יאפשרו אמצעי תחבורה מחושמלים סבירים ומגוונים יותר, כולל משאיות למחצה וכלי טיס קטנים. לדוגמה, המחיר של מצברים לרכב חשמלי יירד ובמקביל יציע טווח ארוך יותר (מ-400 ק"מ ל->600 ק"מ).

אתגרים במיסחור

עם זאת, מסחור סוללות מתכת ליתיום עדיין רחוק בעתיד. מתכת ליתיום היא אחד היסודות התגובתיים ביותר בטבלה המחזורית ומפתחת בקלות שכבת פסיבציה המשפיעה על מבנה האנודה עצמה במהלך שימוש רגיל בסוללה. שכבת הפסיבציה הזו היא כמו השכבה המתפתחת כאשר כלי כסף או תכשיטים מתחילים להכתים, אך מכיוון שהליתיום כל כך תגובתי, אנודת מתכת הליתיום בסוללה תתחיל "להכתים" ברגע שהיא נוגעת באלקטרוליט.

הכימיה של שכבת הפסיבציה משפיעה על האופן שבו יוני ליתיום נעים במהלך טעינה/פריקה של הסוללה, ובסופו של דבר משפיעה על האם חוטי מתכת שמובילים לביצועי סוללה גרועים גדלים בתוך המערכת או לא. עד כה, מדידת ההרכב הכימי של שכבת הפסיבציה, הידועה על ידי קהילת הסוללות כ-interphase אלקטרוליט מוצק (SEI), תוך לכידת מידע בו-זמנית על האופן שבו יוני ליתיום הנמצאים בשכבה זו נעים היה כמעט בלתי אפשרי.

Marbella ציינה, "אם היה לנו את המידע הזה, היינו יכולים להתחיל לצייר חיבורים למבני SEI ספציפיים ולמאפיינים שמובילים לסוללות בעלות ביצועים גבוהים."

תובנות מהמחקר החדש

מחקר ג'ול מזקק מחקרים עדכניים, שרבים מהם הובילה או תרמה לו קבוצת Marbella, כדי להציג מקרה למינוף שיטות ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (NMR) כדי לחבר את המבנה של שכבת הפסיבציה על ליתיום לתפקוד בפועל בסוללה. .

NMR מאפשר לחוקרים לחקור ישירות באיזו מהירות נעים יוני ליתיום בממשק שבין אנודת מתכת הליתיום לשכבת הפסיבציה שלה, תוך מתן קריאה של התרכובות הכימיות שנמצאות על פני השטח. בעוד ששיטות אפיון אחרות, כמו מיקרוסקופ אלקטרונים, עשויות לספק תמונות בולטות של שכבת ה-SEI על פני השטח של מתכת ליתיום, הן אינן יכולות לאתר את ההרכב הכימי המדויק של הפרעות מִיןהם גם לא יכולים "לראות" הובלת יונים. טכניקות אחרות שיכולות לחקור את הובלת ליתיום על פני הממשק, כמו ניתוחים אלקטרוכימיים, אינן מספקות מידע כימי.

בבחינת הנתונים שנאספו במעבדה של Marbella במהלך שש השנים האחרונות, הצוות מצא כי NMR יכול לחוש באופן ייחודי שינויים במבנה של תרכובות ב-SEI על מתכת ליתיום, וזה המפתח להסבר כמה מהיחסים החמקמקים יותר שלה בין מבנה למאפיינים. החוקרים מאמינים ששילוב של טכניקות מרובות, כמו NMR, ספקטרוסקופיות אחרות, מיקרוסקופיה, הדמיות ממוחשבות ושיטות אלקטרוכימיות, יהיה הכרחי כדי לפתח ולקדם את הפיתוח של סוללות מתכת ליתיום.

תובנות חדשות באמצעות שיטות NMR

כאשר חוקרים חושפים מתכת ליתיום לאלקטרוליטים שונים, הם רואים לעתים קרובות מדדי ביצועים שונים. ניסוי ה-NMR של Marbella מראה ששינויים אלו בביצועים מתרחשים מכיוון שהרכבי אלקטרוליטים שונים יוצרים קומפוזיציות SEI נפרדות ומספקות יוני ליתיום למשטח האנודה בקצבים שונים. באופן ספציפי, כאשר ביצועי סוללת מתכת ליתיום משתפרים, קצב חילופי הליתיום עם פני השטח עולה. כעת הם יכולים לראות גם כיצד יש לסדר את שכבת הפסיבציה. כדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר, תרכובות כימיות שונות חייבות להיות מרובדות זו על גבי זו ב-SEI, במקום לפזר באופן אקראי.

ניסויי ההחלפה שהוצגו במחקר החדש יכולים לשמש מדעני חומרים כדי לסייע בסינון ניסוחי אלקטרוליטים עבור סוללות מתכת ליתיום בעלות ביצועים גבוהים, כמו גם לזהות את תרכובות פני השטח ב-SEI הנדרשות לביצועים גבוהים. Marbella מוסיפה כי NMR היא אחת הטכניקות היחידות – אם לא היחידה – שיכולה לחקור את השינויים המבניים המקומיים של תרכובות ב-SEI כדי להתייחס לאופן שבו חומרים מבודדים יוניים עשויים לאפשר הובלה מהירה של ליתיום-יון ב-SEI.

"ברגע שנדע אילו שינויים מבניים מתרחשים – למשל, האם דברים כמו ליתיום פלואוריד הופך לאמורפי, פגום, בגודל ננו – אז נוכל להנדס אותם בכוונה ולתכנן סוללות מתכת ליתיום שעומדות במדדי הביצועים הנדרשים למסחור. ניסוי ה-NMR הוא אחד הבודדים שיכולים לבצע משימה זו ולתת לנו את המידע החיוני ביותר לדחיפת עיצוב משטח האנודה קדימה."

כיוונים עתידיים

במבט קדימה, הקבוצה של Marbella ממשיכה לשלב NMR עם אלקטרוכימיה כדי להעמיק את ההבנה של הרכב SEI ותכונותיהם על פני אלקטרוליטים שונים עבור סוללות מתכת ליתיום. הם גם מפתחים שיטות להצביע על תפקידם של רכיבים כימיים בודדים בהקלת הובלת ליתיום-יון דרך ה-SEI.