今天（5 月20 日）發表在《焦耳》（Joule）雜誌上的一篇新論文中，哥倫比亞工程公司的一個團隊詳細介紹瞭如何利用核磁共振光譜技術設計鋰金屬電池的陽極表面。這項研究提供了新的數據和解釋，說明這些方法如何為這些表面的結構提供了獨特的視角，並對電池研究界提供幫助。

團隊負責人、化學工程副教授勞倫-馬貝拉（Lauren Marbella）說：”我們相信，有了我們收集到的所有數據，我們就能幫助加快鋰金屬電池的設計，並幫助消費者安全地使用這些電池。

使用鋰金屬陽極而不是石墨陽極的電池，就像我們的手機和電動車中使用的電池一樣，將使包括半掛卡車和小型飛機在內的電氣化交通工具更加經濟實惠、用途更加廣泛。例如，電動車電池的價格會降低，同時續航里程會延長（從400 公里延長到大於600 公里）。

然而，鋰金屬電池的商業化仍遙遙無期。鋰金屬是元素週期表中最活躍的元素之一，在正常使用電池的過程中很容易形成鈍化層，影響陽極本身的結構。這種鈍化層就像銀器或珠寶開始褪色時產生的鈍化層，但由於鋰的活性非常高，電池中的鋰金屬陽極一接觸電解液就會開始”褪色”。

鈍化層的化學成分會影響鋰離子在電池充電/放電過程中的移動方式，並最終影響系統內部是否會長出導致電池性能不佳的金屬絲。到目前為止，測量鈍化層（電池界稱為固體電解質相間層（SEI））的化學成分，同時捕捉位於該層中的鋰離子如何移動的資訊幾乎是不可能的。

Marbella指出：”如果我們掌握了這些信息，就可以開始將特定的SEI 結構和特性與高性能電池聯繫起來。”

新研究提煉了近期的研究成果，其中大部分是Marbella小組領導或參與的，並提出了利用核磁共振(NMR) 光譜方法將鋰鈍化層的結構與其在電池中的實際功能聯繫起來的案例。

NMR 使研究人員能夠直接探測鋰離子在鋰金屬陽極與其鈍化層之間的界面上移動的速度，同時也能讀出該表面上存在的化合物。雖然電子顯微鏡等其他表徵方法可以提供鋰金屬表面SEI 層的清晰圖像，但它們無法精確定位無序物種的確切化學成分，也無法”看到”離子傳輸。其他可以探測鋰在界面上傳輸的技術，如電化學分析，也不能提供化學資訊。

透過研究Marbella實驗室在過去六年中收集的數據，研究小組發現核磁共振可以獨特地感知鋰金屬上SEI 中化合物結構的變化，這是解釋鋰金屬一些難以捉摸的結構-性能關係的關鍵。研究人員認為，將核磁共振、其他光譜、顯微鏡、電腦模擬和電化學方法等多種技術結合起來，對開發和推進鋰金屬電池的發展十分必要。

當研究人員將鋰金屬暴露在不同的電解質中時，往往會觀察到不同的性能指標。 Marbella的核磁共振實驗表明，這些性能變化的產生是因為不同的電解質成分會產生不同的SEI 成分，並以不同的速率將鋰離子輸送到陽極表面。具體來說，當鋰電池效能提高時，鋰與表面的交換率也會增加。他們現在還能看到鈍化層應該如何安排。為了達到最佳性能，不同的化合物必須在SEI 中層層疊加，而不是隨機分佈。

新研究中展示的交換實驗可被材料科學家用於幫助篩選高性能鋰金屬電池的電解質配方，以及確定高性能所需的SEI 表面化合物。 Marbella 補充說，核磁共振是唯一能探測SEI 中化合物局部結構變化的技術之一（如果不是唯一的話），它能解決離子絕緣材料如何在SEI 中實現快速鋰離子傳輸的問題。

一旦知道發生了哪些結構變化–例如，氟化鋰等是否變得無定形、有缺陷、奈米大小–那麼我們就可以有意識地對這些變化進行工程設計，並設計出符合商業化所需的性能指標的鋰金屬電池。核磁共振實驗是為數不多的能夠完成這項任務的實驗之一，它為我們提供了推動負極表面設計向前發展所必需的資訊。

展望未來，Marbella 的研究團隊將繼續將核磁共振與電化學結合起來，加深對鋰金屬電池不同電解質中SEI 成分和特性的了解。他們也正在開發各種方法，以確定單一化學成分在促進鋰離子通過SEI 傳輸方面的作用。

編譯來源：ScitechDaily