顺磁共振:一颗冉冉升起的新星在电池研究方法

近年来,核磁共振技术已广泛应用于电化学储能系统的研究包括锂/钠离子电池、燃料电池、超级电容器。和锂离子电池供电的新能源汽车和钠电池将被用作大规模储能电池是流行的研究重点。然而,各种各样的电池材料面临着不可避免的“天花板”,如锂储量雷竞技网页版有限,成本高,技术指标问题如何实现更快的充电速度和更高的能量密度。解决这些问题需要科学研究人员的不懈努力和更精确的工具的支持。

几天前,www.instrument.com.cn的编辑专门采访了胡锦涛Bingwen,华东师范大学研究员,并邀请胡先生介绍核磁共振技术如何提高电池领域的科学研究。

www.instrument.com.cn:胡先生,首先,请介绍你目前的研究方向,选择这个方向的原因。

胡Bingwen:目前,我们的研究小组的主要研究方向是核磁共振(NMR)的应用程序和电子顺磁共振(EPR)在电池领域,包括锂离子电池和钠电池。

在法国攻读我的博士学位期间,我主修核磁共振方法的发展。回到中国后,开始时我并没有改变我的研究方向和发展了许多方法,如上海和沙+。但是我逐渐意识到一个问题在我的工作:研究生很难掌握核磁共振方法和在短时间内做一些科研成果。调查后,我发现,研究“battery-NMR”在中国是相对稀缺的,所以我开始学习和做一些电池研究,从电解质负电极,然后正电极。

我的导师,摩根大通,喜欢聊天,有一个广阔的视野。他对我说很多次,五个国家核磁共振研究中心的研究方向在法国都有他们独特的优先事项。然而,在中国,有一个更大的领土,有相对较少的国家核磁共振研究中心,其中大部分集中在催化和生物领域。40岁时,摩根大通戏剧性的改变职业。他还鼓励我做一个戏剧性的改变职业追求独特和新的方向。

把电池场一段时间后,我发现核磁共振技术是远远不够的为这一领域的研究,也需要支持从顺磁共振技术的结果。因此,我们的研究小组申请了演示仪器从2016年的力量,后来购买了力量E580连续波和脉冲电子顺磁共振波谱仪为探索顺磁共振的优点。通过不断地学习和探索顺磁共振技术的应用在电池系统的研究中,我们终于形成一个混合核磁共振的研究方向,顺磁共振和电池。

www.instrument.com.cn:核磁共振技术应用于电池是什么时候?与其他分析仪器相比,核磁共振技术的特点是什么?

胡Bingwen:目前,并没有很多研究小组应用核磁共振技术在中国电池领域。据我所知,大约有三到五个这样的研究小组。然而,国际核磁共振进入电池研究领域在2000年。2010年我回到中国后,我开始开展相关研究。顺磁共振技术的应用在电池领域一直被忽视的很长一段时间,有零星的结果。其实际开始是2015年左右,比核磁共振技术的应用相对较晚。我们的研究小组在2016年进入这一领域,基本上跟上国际研究小组。
与其他分析仪器相比,核磁共振和顺磁共振有许多独特的特性在电池研究。

核磁共振是一个宏观的科学工具,可以获得更全面的元素信息,而其他工具如TEM只能获得局部元素的信息,缺乏整体的理解情况。核磁共振主要研究Li Na, O,以及区分这些元素的能力也强于其他分析技术。例如,当决定在NaLiMnO离子的位置₂李电池,核磁共振可以最直接检测离子钠层或其他层。

顺磁共振很好区分元素的价态。同步辐射是最广泛使用的技术在V的测试系统。它可以明显观察到的变化V^{4 +}和V^{5 +},但很难区分V的微小的变化^{3 +}。然而,在顺磁共振光谱,您可以清楚地确定V^{3 +},这是完全的“力量”顺磁共振。

www.instrument.com.cn:你认为核磁共振技术的应用前景在电池领域的能量?

胡Bingwen:我们应该说,核磁共振技术在电池领域的应用前景是十分光明的。核磁共振和顺磁共振技术可以提供互补的信息,现在的电池材料的完整信息。

事实上,电池有一个独特的行为称为“部分无定形化”。有一些阳离子电池材料、无序的地方,这种无序结构不能解释在大多数其他技术。雷竞技网页版然而,核磁共振、顺磁共振可以很好的解释这一现象。此外,电池的内部和外部结构是非常不同的。所以,无论从的角度相变或无序化,核磁共振技术是不可替代的。值得指出的是,使用MRI不排除使用同步加速器辐射,TEM,和其他技术,因为我们可以获得一些补充信息通过使用不同的技术。
不断探索更多潜在的EPR。

www.instrument.com.cn:有多少磁共振仪器目前在你的实验室吗?你什么时候购买的,现在仪器主要是用于科学研究?

胡Bingwen:核磁仪器在我们实验室都是固态核磁光谱分析仪,包括一个300 mhz光谱仪、一个400 mhz光谱仪,和两个600 mhz光谱仪,都购买了约2010 - 2014。顺磁共振波谱仪在2018年购买的,目前是在我们实验室的主要工具。

www.instrument.com.cn:这力量的帮助下E580顺磁共振波谱仪,你进行什么研究工作和成果显著你生产吗?

胡Bingwen:这篇文章我们只公布在JPCL是独特的顺磁共振在NaCrO中的应用₂系统。通过使用顺磁技术,我们可以观察Cr^{5 +}离子难以观察到的其他技术。通过充放电设备,我们可以知道电池的稳定性很好,当电压低于3.7 v;当电压超过3.7 v时,信号将很快消失。事实上,一旦电压3.7 v以上,Cr^{3 +}会转变成Cr^{5 +}、和铬^{5 +}将溶解在电解液,导致电池的性能急剧下降。如果你想要得到这些信息,最直接和有效的工具顺磁共振。用顺磁共振成像工具,我们可以看到,铬离子位于电解质膜,直接显示了巨大的潜力顺磁共振成像技术。

我愿意披露更多的即将到来的研究结果:原位顺磁共振是一种有效的分析方法来研究李离子对铜的沉积过程表,和它的分辨率远高于磁共振成像(MRI),这让我非常兴奋。此外,通过观察O在锂空气电池的变化通过原位EPR图,我们发现氧化物(如有限公司₃O₄对O)有一个独特的影响₂,有助于理解为什么氧化物可以提高锂空气电池的循环性能。

www.instrument.com.cn:你觉得这个E580顺磁共振波谱仪吗?你为什么选择这个乐器呢?

胡Bingwen:一般来说,E580操作方便,具有较强的性能,它可以满足先进的科学研究的需求。售后服务也很好。仪器的可配置性是重要的科学研究。力量也装备我E580 L波段,X乐队,Q波段,成像系统根据我的需求。

至于选择这个乐器的原因:一方面,我们租了力量的E580演示机相关研究自2016年以来,到目前为止,它已经五年了。另一方面,我需要的Q波段和成像系统,据我所知,没有其他品牌的光谱仪。

核磁共振技术,争取进步和继续突破

www.instrument.com.cn:你认为当前的磁共振技术的发展可以满足电池研究的需要吗?为了科学研究,什么是你的期望发展的核磁共振仪器在未来?

胡Bingwen:我解释说,用一个成语叫做“切脚适应鞋”,这意味着条件有限,和相关的研究只能根据现有的仪器的功能。

目前,磁共振技术基本上可以满足电池研究的需要。我最期待的发展快速成像功能,可以实现更快的成像,同时保持更大的敏感性。现在成像速度相对较慢。过去,花了24小时的电池的充电和放电,所以它没有问题在半小时内收集谱图。然而,现在电池可能只花一个小时充电和放电,这需要收集的结果将在几分钟。因此,如果我们想要研究这高速充电和放电的问题,我们必须更快的成像技术和光谱技术。
关于核磁共振仪器的发展在未来,事实上,我不断改善工具。必须一般原始硬件设计,而不是在电池领域的研究。我们做一些地方修改基于现有的体系结构,然后我们将独立设计一个工具,更适合电池研究。这些任务的进展可能相对较慢,但我一直在做他们所有的时间。我的目标是优化磁共振仪器电池系统及相关技术,并维持在这一领域我们独特的优势。

www.instrument.com.cn:目前,中国正努力开发新能源领域,和电池也是一个非常受欢迎的行业。你能与我们分享你的未来工作计划吗?

胡Bingwen:在未来,我希望能找到疼痛的来源和困难在电池领域通过NMR和顺磁共振技术的结合。例如,通过使用顺磁共振技术研究阳离子无序阴极材料我们现在使用的是,我们发现内部锰离子聚合性能下降的核心因素。雷竞技网页版理解后性能下降的原因,它会很容易做一些修改工作。

虽然核磁共振技术的应用相对成熟,我们的研究小组仍在探索更多的应用程序。顺磁共振的应用没有很长时间,和许多技术尚未应用。因此,近年来,我想花时间研究顺磁共振技术和应用电池系统。即使是在全球范围内,顺磁共振和顺磁共振成像的应用非常稀缺,所以他们将在未来我优先考虑的一部分。

胡锦涛Bingwen,华东师范大学研究员

胡Bingwen目前物理与电子科学学院研究员,华东师范大学,上海磁共振重点实验室副主任,国家自然科学基金委的冠军优秀的年轻科学家(眼睛)计划,紫江的优秀青年学者,和年轻的中国磁共振杂志》的编辑。他主要研究磁共振及其应用在电池领域,并开发了固态核磁共振脉冲序列包括上海、沙+ RFDF-XY8-4-1,原位核磁共振的方法,原位EPR,原位电子顺磁共振成像对锂电池系统。

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