Merancang Baterai Lithium yang Lebih Aman dan Berperforma Lebih Tinggi Dengan Spektroskopi Resonansi Magnetik Nuklir

Insinyur Columbia menggunakan spektroskopi resonansi magnetik nuklir untuk memeriksa baterai logam litium melalui lensa baru — temuan mereka dapat membantu mereka merancang permukaan elektrolit dan anoda baru untuk baterai berkinerja tinggi.

Sebuah tim dari Columbia Engineering merinci bagaimana teknik spektroskopi resonansi magnetik nuklir dapat dimanfaatkan untuk merancang permukaan anoda dalam baterai logam litium dalam makalah baru yang diterbitkan hari ini (20 Mei) di jurnal Joule. Penelitian ini menawarkan knowledge dan interpretasi baru tentang bagaimana metode ini memberikan perspektif unik mengenai struktur permukaan ini, sehingga bermanfaat bagi komunitas riset baterai.

“Kami percaya bahwa, dengan berbekal semua knowledge yang telah kami kumpulkan, kami dapat membantu mempercepat desain baterai logam litium dan membantu menjadikannya aman bagi konsumen, hal yang telah dilakukan orang-orang selama lebih dari empat dekade,” kata the pemimpin tim Lauren Marbella, profesor teknik kimia.

Janji Baterai Logam Lithium

Baterai yang menggunakan anoda logam litium dan bukan anoda grafit, seperti yang digunakan pada telepon seluler dan kendaraan listrik, akan memungkinkan moda transportasi listrik yang lebih terjangkau dan serbaguna, termasuk semi-truk dan pesawat kecil. Misalnya, harga baterai kendaraan listrik akan turun sekaligus menawarkan jangkauan yang lebih jauh (dari 400 km menjadi >600 km).

Tantangan dalam Komersialisasi

Namun, komersialisasi baterai logam litium masih jauh di masa depan. Logam litium adalah salah satu unsur paling reaktif dalam tabel periodik dan mudah mengembangkan lapisan pasivasi yang berdampak pada struktur anoda itu sendiri selama penggunaan regular baterai. Lapisan pasivasi ini mirip dengan lapisan yang terjadi ketika peralatan perak atau perhiasan mulai ternoda, namun karena litium sangat reaktif, anoda logam litium dalam baterai akan mulai “ternoda” segera setelah menyentuh elektrolit.

Sifat kimia lapisan pasivasi memengaruhi pergerakan ion litium selama pengisian/pengosongan baterai, yang pada akhirnya memengaruhi tumbuh atau tidaknya filamen logam yang menyebabkan kinerja baterai buruk di dalam sistem. Hingga saat ini, mengukur komposisi kimia lapisan pasivasi, yang dikenal oleh komunitas baterai sebagai interfase elektrolit padat (SEI), sekaligus menangkap informasi tentang bagaimana ion litium yang terletak di lapisan tersebut bergerak hampir mustahil.

Marbella mencatat, “Jika kami memiliki informasi ini, kami dapat mulai menghubungkan struktur dan properti SEI tertentu yang menghasilkan baterai berkinerja tinggi.”

Wawasan Dari Penelitian Baru

Itu Joule Studi ini menyaring penelitian terbaru, yang sebagian besar dipimpin atau disumbangkan oleh kelompok Marbella, untuk menyajikan kasus yang memanfaatkan metode spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR) untuk menghubungkan struktur lapisan pasivasi pada litium dengan fungsi sebenarnya dalam baterai.

NMR memungkinkan para peneliti untuk secara langsung menyelidiki seberapa cepat ion litium bergerak pada antarmuka antara anoda logam litium dan lapisan pasivasinya, sekaligus memberikan pembacaan senyawa kimia yang ada di permukaan tersebut. Meskipun metode karakterisasi lain, seperti mikroskop elektron, dapat memberikan gambaran yang mencolok dari lapisan SEI pada permukaan logam litium, metode tersebut tidak dapat menentukan dengan tepat komposisi kimia dari lapisan yang tidak teratur tersebut. jenis, mereka juga tidak dapat “melihat” transpor ion. Teknik lain yang dapat menyelidiki transpor litium melintasi antarmuka, seperti analisis elektrokimia, tidak memberikan informasi kimia.

Dengan memeriksa knowledge yang dikumpulkan di laboratorium Marbella selama enam tahun terakhir, para ilmuwan menemukan bahwa NMR dapat secara unik merasakan perubahan struktur senyawa SEI pada logam litium, yang merupakan kunci untuk menjelaskan beberapa hubungan struktur-properti yang lebih sulit dipahami. Para peneliti percaya bahwa menggabungkan berbagai teknik, seperti NMR, spektroskopi lain, mikroskop, simulasi komputer, dan metode elektrokimia, akan diperlukan untuk mengembangkan dan memajukan pengembangan baterai logam litium.

Wawasan Baru Melalui Metode NMR

Saat peneliti memaparkan logam litium ke elektrolit yang berbeda, mereka sering kali mengamati metrik kinerja yang berbeda. Eksperimen NMR Marbella menunjukkan bahwa perubahan kinerja ini muncul karena komposisi elektrolit yang berbeda menciptakan komposisi SEI yang berbeda dan mengantarkan ion litium ke permukaan anoda dengan kecepatan berbeda. Khususnya, ketika kinerja baterai logam litium meningkat, laju pertukaran litium dengan permukaan meningkat. Mereka sekarang juga dapat melihat bagaimana lapisan pasivasi harus diatur. Untuk mencapai kinerja terbaik, senyawa kimia yang berbeda harus ditumpangkan satu sama lain dalam SEI, bukan didistribusikan secara acak.

Eksperimen pertukaran yang ditunjukkan dalam studi baru ini dapat digunakan oleh para ilmuwan materials untuk membantu menyaring formulasi elektrolit untuk baterai logam lithium berkinerja tinggi serta mengidentifikasi senyawa permukaan di SEI yang diperlukan untuk kinerja tinggi. Marbella menambahkan bahwa NMR adalah satu-satunya teknik – jika bukan satu-satunya – yang dapat menyelidiki perubahan struktural lokal senyawa di SEI untuk mengatasi bagaimana bahan isolasi ionik dapat memungkinkan transportasi lithium-ion yang cepat di SEI.

“Setelah kita mengetahui perubahan struktural apa yang terjadi – misalnya, apakah litium fluorida menjadi amorf, cacat, berukuran nano – maka kita dapat dengan sengaja merekayasanya dan merancang baterai logam litium yang memenuhi metrik kinerja yang diperlukan untuk komersialisasi. Eksperimen NMR adalah salah satu dari sedikit eksperimen yang dapat menyelesaikan tugas ini dan memberi kita informasi penting untuk memajukan desain permukaan anoda.”

Arah masa depan

Ke depan, kelompok Marbella terus menggabungkan NMR dengan elektrokimia untuk memperdalam pemahaman mereka tentang komposisi dan sifat SEI di berbagai elektrolit untuk baterai logam litium. Mereka juga mengembangkan metode untuk menunjukkan dengan tepat peran masing-masing komponen kimia dalam memfasilitasi transportasi lithium-ion melalui SEI.

Referensi: “Menggunakan spektroskopi NMR untuk menghubungkan struktur dengan fungsi pada interfase elektrolit padat Li” oleh Asya Svirinovsky-Arbeli, Mikkel Juelsholt, Richard Could, Yongbeom Kwon dan Lauren E. Marbella, 20 Mei 2024, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2024.04.016