NMR在锂电池分析中的应用

便携式电子产品的广泛使用及电动汽车市场的快速增长，使得能源存储的需求与日俱增。为满足不断增长的需求，就需要持续开发新的电池技术，并优化现有的生产技术。台式核磁共振在电池技术的诸多领域都起着重要的作用。

现阶段，所有的商品化电池及那些预计将在5年内投产的电池都是基于液态电解液技术，这使得核磁共振技术成为支持其发展的有效分析工具。电解液是锂离子电池的重要构成要素，通常包括了锂盐电解质、有机溶剂和添加剂。电解液的作用从本质上讲是为离子提供自由脱嵌的环境，实现电池正负极之间的电流传导。由于电解质、有机溶剂和添加剂种类繁多，不同组成和配比的电解液在热耐受性、化学稳定性、离子电导率和电极相容性等方面可能存在显著差异，这将极大地影响电池的性能、寿命、安全性以及使用范围。因此，准确全面的表征电解液，了解并控制其作用特性，是电池理论研究和应用开发不可或缺的重要环节。

电解液的发展

目前的电解液是基于溶解在有机溶剂混合物中的Li⁺或Na⁺盐，典型的有机溶剂是碳酸乙酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）或碳酸丙烯酯（PC）。电解液的关键性能参数之一是离子迁移率。利用我们X-Pulse宽带台式核磁波谱仪，电解液中所有不同物质的扩散系数和离子迁移率均可在反应现场完成快速测定。单一一台X-Pulse即可检测多种NMR活性核，意味着阳离子(⁷Li,²³Na)、阴离子(³¹P,¹¹B,¹⁹F)和溶剂(¹H,¹³C)成分都能被单独测量。

同一系统中3种原子核的PFGSE实验结果 ¹H波谱显示溶剂，¹⁹F显示阴离子，⁷Li显示阳离子

众所周知，液体电解液存在不稳定的问题，经过多次充电和放电循环，可以形成各种各样的分解产物。通过¹⁹F核磁波谱即可完成大多数分解产物的识别。即使在60MHz核磁条件下，常见产物如LiF、HF也能在波谱中识别出非常独立的区域。台式核磁共振的灵活性及便捷性，使得在每个放电周期后均可对电解液进行快速分析，从而更好的掌握电解液降解的过程。

⁷Li:量化Li浓度并快速识别化学环境中的变化

¹⁹F:识别主要氟化成分以及降解产物和污染物

质量控制

高性能电池的质量需要高质量的材料提供保障。台式核磁共振波谱仪可以快速测量原材料和最终产品，以确保产品质量及一致性。X-Pulse的宽带能力允许测量包括¹H、⁷Li、¹¹B、¹³C、¹⁹F、²³Na、²⁹Si和³¹P等在内的众多原子核，这意味着使用一台仪器即可快速、方便地检测原材料的纯度和产品的一致性。例如通过单一的³¹P 或¹¹B波谱，可快速判断LiPF₆或LiBF₄的纯度。原料或最终产品中H₂O的存在可通过单一的¹H波谱进行快速识别。正如上面所述大多数分解产物和污染物可以通过单一的¹⁹F波谱进行识别。