1716218343
2024-05-20 15:00:24
コロンビアエンジニアリングの研究は、核磁気共鳴分光法がアノード表面構造に関する詳細な洞察を提供することで、リチウム金属電池の設計をどのように強化できるかを明らかにしました。 クレジット: SciTechDaily.com
コロンビアのエンジニアは、核磁気共鳴分光法を使用して、新しいレンズを通してリチウム金属電池を検査します。その結果は、高性能電池の新しい電解質と負極表面の設計に役立つ可能性があります。
コロンビアエンジニアリングのチームは、本日（5月20日）ジャーナルに発表された新しい論文で、核磁気共鳴分光法技術をリチウム金属電池のアノード表面の設計にどのように活用できるかを詳しく説明しています。 ジュール。 この研究は、これらの方法がこれらの表面の構造に関する独自の視点をどのように提供するかについての新しいデータと解釈を提供し、電池研究コミュニティにとって有益です。
「我々が収集したすべてのデータを活用すれば、人々が40年以上にわたって努力してきたリチウム金属電池の設計を加速し、消費者にとって安全なものにすることができると信じています」と同氏は述べた。チームのリーダー、ローレン・マーベラ、化学工学准教授。
リチウム金属電池の約束
携帯電話や電気自動車で使用されているような、黒鉛陽極の代わりにリチウム金属陽極を使用する電池は、セミトラックや小型航空機を含む、より手頃な価格で汎用性の高い電動輸送手段を可能にします。 たとえば、電気自動車のバッテリーの価格は下がり、同時に航続距離が長くなります (400 km から 600 km 以上)。
商業化における課題
しかし、リチウム金属電池の実用化はまだまだ先の話だ。 リチウム金属は周期表上で最も反応性の高い元素の 1 つであり、通常の電池使用中にアノード自体の構造に影響を与える不動態化層を容易に生成します。 この不動態化層は、銀製品や宝飾品が変色し始めるときに発達する層に似ていますが、リチウムは非常に反応性が高いため、バッテリー内のリチウム金属アノードは電解液に触れるとすぐに「変色」し始めます。
不動態化層の化学的性質は、バッテリーの充電/放電中にリチウムイオンがどのように移動するかに影響を与え、最終的にはバッテリーの性能低下につながる金属フィラメントがシステム内で成長するかどうかに影響します。 これまで、電池業界では固体電解質界面（SEI）として知られている不動態化層の化学組成を測定し、同時にその層内に存在するリチウムイオンがどのように移動しているかに関する情報を取得することは、ほぼ不可能に近いものでした。
マルベージャ氏は、「この情報があれば、高性能電池につながる特定の SEI 構造と特性との関連性を導き始めることができるでしょう。」と述べました。
新しい研究からの洞察
ジュール研究は最近の研究を抽出しており、その多くはマルベーリャグループが主導または貢献しており、核磁気共鳴（NMR）分光法を活用してリチウム上の不動態化層の構造を電池内の実際の機能に結び付ける事例を提示している。 。
NMR を使用すると、研究者はリチウム金属アノードとその不動態化層の間の界面でリチウムイオンがどのくらいの速さで移動するかを直接調べることができると同時に、その表面に存在する化合物の読み取り値も得られます。 電子顕微鏡などの他の特性評価方法は、リチウム金属表面の SEI 層の印象的な画像を提供する可能性がありますが、無秩序な種の正確な化学組成を正確に特定することはできず、イオンの輸送を「見る」こともできません。 電気化学分析など、界面を通過するリチウムの輸送を調べることができる他の技術では、化学情報は得られません。
過去6年間にマルベーリャの研究室で収集されたデータを調べた結果、研究チームはNMRがリチウム金属上のSEI中の化合物の構造の変化を独自に感知できることを発見した。これは、よりとらえどころのない構造と特性の関係を説明する鍵となる。 研究者らは、リチウム金属電池の開発と開発を進めるには、NMR、その他の分光法、顕微鏡法、コンピューターシミュレーション、電気化学的手法などの複数の技術を組み合わせることが必要であると考えている。
NMR 手法による新たな洞察
研究者がリチウム金属をさまざまな電解質にさらす場合、多くの場合、さまざまな性能測定基準が観察されます。 マルベラの NMR 実験は、異なる電解質組成が異なる SEI 組成を生成し、異なる速度でリチウムイオンをアノード表面に供給するために、これらの性能の変化が生じることを示しています。 具体的には、リチウム金属電池の性能が向上すると、表面とのリチウムの交換速度が増加します。 また、パッシベーション層をどのように配置すべきかも確認できるようになりました。 最高のパフォーマンスを達成するには、異なる化合物をランダムに分散させるのではなく、SEI 内で互いに重ね合わせる必要があります。
新しい研究で実証された交換実験は、材料科学者が高性能リチウム金属電池用の電解質配合をスクリーニングしたり、高性能に必要なSEIの表面化合物を特定したりするのに利用できます。 Marbella 氏は、NMR は、SEI 内の化合物の局所的な構造変化を調査して、イオン絶縁材料が SEI 内での高速リチウムイオン輸送をどのように可能にするかを検討できる、唯一ではないにしても、唯一の技術の 1 つであると付け加えています。
「どのような構造変化が起こっているか（たとえば、フッ化リチウムがアモルファス化、欠陥があり、ナノサイズになるなど）が分かれば、これらを意図的に設計し、商業化に必要な性能基準を満たすリチウム金属電池を設計できます。 NMR 実験は、この課題を達成できる数少ない実験の 1 つであり、アノード表面設計を前進させるために不可欠な情報を私たちに提供してくれるのです。」
今後の方向性
今後を見据えて、マルベラ氏のグループは引き続き NMR と電気化学を組み合わせて、リチウム金属電池のさまざまな電解質にわたる SEI の組成と特性についての理解を深めていきます。 彼らはまた、SEIを通じたリチウムイオン輸送を促進する際の個々の化学成分の役割を正確に特定する方法も開発している。
参考文献：「NMR 分光法を使用して、Li 固体電解質界面における構造と機能をリンクする」2024 年 5 月 20 日 ジュール。
#核磁気共鳴分光法を利用したより安全で高性能なリチウム電池の設計