用BENCHTOP NMR优化电池电解质性能和质量

在这次访谈中，Azom在牛津仪器博士上讲James Sagar，战略产品和应用经理博士，关于Benchtop NMR如何用于优化电池电解质性能和质量。

您能否向读者提供牛津仪器为电池行业提供的服务介绍？

在牛津乐器，我们对电池有着强烈的重点。我们为电池行业提供一系列的分析解决方案，采用初步勘探和原材料处理的用途，以制造组件及其质量控制。欧洲杯足球竞彩

我们是电子显微镜的分析解决方案的领先供应商，这些分析解决方案由我们的客户使用，以评估电池电池的电池原料和粉末的质量，以及用于开发用于固态电池的新型材料的高端研究。欧洲杯足球竞彩我们允许我们的客户了解电化学过程如何利用纳米级表面表征与我们的原子力显微镜如何影响电池材料的性能的细节。欧洲杯足球竞彩

然而，这里的重点是我们的核磁共振(NMR)光谱仪，它解决了载流液体电解质的质量控制和产品开发。

宽带台式核磁共振系统和传统核磁共振设置之间的区别是什么?

当大多数人想到NMR时，他们认为自己的房间里的一个大圆筒，需要使用液体冷冻剂和训练有素的操作员。和Benchtop NMR.在美国，我们把这项技术压缩成一种仪器，尽管磁场强度降低了，但它可以放在一个典型实验室的长凳上。有了这些紧凑、低成本的系统，我们现在可以更有效地进行许多以前需要传统高场NMR系统的相同实验。

宽带台式NMR是一个对下一代电池的令人难以置信的强大技术。宽带意味着单个仪器可用于分析电池电解质的广泛感兴趣的元素。该技术可用于新制剂的开发，在质量控制和以预测的最终产品的电池系统内电解质的性能。

哪些仪器性能和其他考虑因素影响台式核磁共振系统的选择?

理想情况下，台式仪器应在任何标准实验室中在没有液冷的室温下工作。该仪器不需要专门的、经验丰富的或受过高度训练的操作人员——用户应该能够在需要数据的任何时间和任何地点介入并获取数据。最后，它的尺寸必须允许它适合在一个长凳上，在手推车周围运输，或放置在惰性手套箱中，以允许表征空气敏感电池材料。欧洲杯足球竞彩

图片来源:Flegere / Shutterstock.com

在性能方面，仪器的光谱分辨率应该区分你光谱中所有感兴趣的峰。你需要足够的灵敏度来检测材料中的所有关键物种，还要有足够的稳定性来反复进行精确的测量。欧洲杯足球竞彩

对于电解质表征来说，能够分析配方中所有相关的化学核，以确保对材料有最好的理解，是非常有利的。欧洲杯足球竞彩这需要一个真正的“宽带”系统。

开发脉冲场梯度的潜力在一些先进的实验中是重要的。这些可以量化扩散系数，离子电导率和转移(如何携带电流离子迁移作为其电荷的函数)。最后，使用可变温度控制来研究普通电池工作范围内的电解质也很重要。

X-Pulse台式核磁共振波谱仪如何帮助满足这些需求?

X-Pulse是我们最新的台式核磁共振谱仪。在60MHz场强下，其在峰半高处的光谱分辨率优于0.35 Hz。

的X脉冲是独特的唯一Benchtop NMR仪器拥有宽带多核能力。这使我们能够从电解质中广泛存在的原子核中收集光谱——从锂到氟、磷、硼、钠、氢和碳。我们可以将样品的温度控制在20°C到60°C之间，这是大多数电池的典型操作条件。

标准脉冲场梯度可以测量负离子和阳离子的自扩散，从而了解关键的物理性质。X-Pulse的物理尺寸意味着它可以安装在任何实验室，用手推车运输，甚至可能集成到手套箱中。磁铁的高稳定性提供了精确的数据重复性，特别是质量控制所需的。

图片来源：牛津大学，彼得·布鲁斯教授组

Benchtop NMR如何在分析电池电解质中？

典型的电池将含有阳极，阴极，以及在那些，电解质和嵌入多孔隔膜之间。电解质含有锂盐，最常见的是六氟磷酸锂，四氟硼酸锂和锂TFSI（（双（三氟甲磺酰基）酰亚胺））。将盐溶解在有机溶剂中，例如碳酸亚乙酯或碳酸二甲酯，加上添加剂以改善该电解质的性能。这些添加剂可以提高稳定性以防止分解或改善电极处的固体电解质界面层的形成。该钝化层可保护电极，同时仍然允许电流转移（但也可以引起电池容量损耗）。

当我们考虑一下良好的电池看起来像什么时，我们经常将其分解为五个关键参数：

• 比如能量密度，能存储多少电荷?
• 比如功率密度，我们能多快使用这个电荷?
• 安全
• 成本
• 例如，电池电量将收取电量的电荷循环次数的寿命。

我们可以通过测量电解质中的盐浓度来更好地了解能量密度，以发展更高的功率密度配方。通过在电解质中确定不同物种的扩散系数，我们量化离子电导率和这些电解质的转移数。这些参数及其时间和温度依赖性行为也影响了细胞的功率和能量密度以及电池寿命。

图像信用：牛津仪器

电解质质量通过验证原材料纯度来基准测试，我们还可以快速反馈关于新型制剂对开发新添加剂和更稳定的电解质的影欧洲杯足球竞彩响。

更具体地说，对于寿命，我们可以监测电解质分解反应，并了解它们的过程。例如，微量水可加速有害的氢氟酸分解产物的形成。这一过程知识反馈到添加剂的发展，特别是抑制分解。

因此，通过对新的电解质配方的快速核磁共振分析，可以更经济有效地制造电池，加速开发，并减少开支。此外，一个快速测试，给我们一个最终电解质产品的质量的量化，显著减少有缺陷的电池的数量，并延长电池寿命。

你能给我们的读者一个使用台式核磁共振在质量控制的实际例子吗?

客户希望通过找出Benchtop NMR可以准确地确定其溶剂组合物来帮助改善其质量控制过程。具体而言，质量差，质量良好的质量材料在何处区分？欧洲杯足球竞彩如果是这种情况，质量劣质材料的失败原因是什么？

客户的样品名义上可以描述为六氟磷酸锂和碳酸乙烯和甲基碳酸乙酯的组合。我们得到了两个被认为具有相同化学性质的例子。然而，当这两种无色液体电解质被放置在电池中时，客户报告了性能的差异。

我们以同样的方式接近这种情况，即在呈现样品时，大多数NMR光谱师会做的，我们采用了一个快速的氢气光谱。我们可以清楚地鉴定碳酸亚乙酯和碳酸乙基甲基乙基甲基乙基，以及与碳酸亚乙烯酯，典型的稳定剂相关的小峰。

一旦我们理解与哪些溶剂相关的峰值，我们集成了峰值以准确测量溶剂的重量百分比贡献。

我们发现这些光谱之间没有区别，这表明溶剂在化学上是相同的。性能问题肯定来自其他方面。

接下来，我们用氟核磁共振谱来了解来自六氟磷酸锂盐的电解质负离子。我们可以立刻看到光谱的不同。

我们在偶联光谱上看到了双耦合光谱的双峰，从六氟磷酸盐中的磷中产生。

我们还看到了不同频率的不同双峰，这是由分解产物产生的，这表明盐的分解是造成性能差异的原因。

我们观察到，性能差异很可能是通过常见水解反应路径分解的锂盐。该分析有助于客户解决这些电解质性能问题，证明了Benchtop NMR在质量控制应用中的有用性。

电池中电解液分解的问题有多普遍?台式核磁共振如何解决这个问题?

常见的电解质如六氟磷酸锂、四硼酸盐和碳酸溶剂可以通过许多不同的途径分解。

表征这些途径是开发更安全、更长寿电池的关键，所有这些都可以通过台式核磁共振进行监测。要理解这一点，看一个水解路径的示例是很有帮助的。

向典型的商用碳酸二甲酯中的六氟磷酸盐电解质中加入一滴水，就会导致水解反应，六氟磷酸盐分解为氟化锂和五氟磷酸盐的混合物，后者进一步分解，生成氢氟酸和氟磷酸。如果存在足够的水，磷酸也会产生。

每30分钟拍摄一次光谱，我们追踪反应的进展，反应非常剧烈，即使在相对少量的水中也会迅速发生。

通过记录和比较这一系列的光谱，我们观察了反应速率和在不同分解阶段形成的分解产物的数量。最终，这使我们能够更好地管理和应对这些风险。

脉冲场梯度核磁共振如何应用于新型液体电解质的开发?

通常情况下，只有离子传导性，并且这些新的电解质制剂的粘度进行测定。

建议使用测量不同离子物质的扩散系数，以及通过特定离子物种的转移数（由特定离子物种承载的电荷量）。这提供了在将其放入电池中时更好地预测电解质的性能。我们可以使用脉冲场渐变旋转回波NMR序列记录所有这些参数。这些跟踪与分子的自扩散系数成比例的信号幅度的变化。

为了研究这个问题，我们用一个典型的90度脉冲刺激我们的样品，然后在样品上施加一个梯度脉冲，以促使样品上的相位变化。如果没有扩散，再应用另一个180度脉冲和进一步的梯度脉冲，我们就能看到与之前完全相同的信号。

然而，如果我们的解决方案中的分子在那些两个梯度脉冲之间的时间弥漫，我们将看到信号强度的降低取决于该梯度脉冲和分子扩散系数的强度。

在采用不同梯度优势的一系列光谱后，我们将峰值整合在光谱中，随着渐变强度的增加，我们应该看到信号的降低。

我们将该数据拟合到Stejskal-Tanner方程中，以计算解决方案中特定物种的扩散系数。通过宽带NMR，我们可以使用氢气以及使用锂，氟，硼或磷的每个离子物种测量溶剂分子的扩散系数。一旦我们具有那些扩散系数，我们就可以计算电解质和阳离子转移的离子电导率，这是在开发新电解质的高度有用参​​数。

我们还可以在分解的不同阶段进行电解质的测量，以了解击穿过程如何影响扩散，因此是电解质的物理性质。

最后，你能简要总结一下为什么像X-Pulse这样的台式核磁共振仪器是用于电池材料的理想选择吗?欧洲杯足球竞彩

总的来说，我们从电池材料中得到的相对简单的光谱是完美的欧洲杯足球竞彩Benchtop NMR.反之亦然。我们在几分钟内测量原材料及其质量，以及量化关键材料浓度。欧洲杯足球竞彩

在研发方面，我们几乎可以获得关于新配方的即时反馈，以确保我们正在制作我们预期的内容，并了解影响性能的关键因素，例如稳定剂和添加剂的浓度。

扩散实验使我们能够解锁电解质的物理性质。在质量控制方面，我们可以执行非常快速的测量，以确定任何污染物是否存在或任何分解是否正在发生。

所有这些实验和调查最终都会提高最终产品的质量、性能和成本。