چشم‌اندازها و روش‌ها: ارزیابی فصل مشترک‌های باتری از طریق NMR
زینب ملکشاهی
Michal Leskes و Shira Haber ، مسائل مربوط به ارزیابی فصل مشترک‌های حالت جامد را با استفاده از NMR انتشار دادند.
طیف‌سنجی NMR حالت جامد، برای تشخیص اکثر عناصر موجود در جدول تناوبی قابل استفاده است، زیرا بیشتر عناصر حداقل یک ایزوتوپ با چرخش هسته‌ای غیر صفر دارند. بنابراین NMR می‌تواند برای تشخیص بیشتر فازهای آلی و معدنی تشکیل شده در فصل مشترک الکترود – الکترولیت استفاده شود. با NMR حالت جامد، می‌توان با تشخیص مؤثر تغییرات جزئی در محیط‌های شیمیایی هسته‌ها، فازهای مختلف را تشخیص داد. بنابراین، به دست آوردن طیفی از فصل مشترک الکترود، یک نقشه ترکیبی از فازهای میانی ایجادشده از چرخه‌های الکتروشیمیایی را فراهم می‌کند.
علاوه بر آن، ازآنجایی‌که این نقشه ترکیبی کمی است، می‌توان از آن برای تعیین کمیت شکل‌گیری و تکامل این فازهای میانی، بسته به وضعیت شارژ الکترود استفاده کرد.
ازآنجایی‌که هسته‌های آشکارشده درواقع آهنرباهای کوچکی هستند، با یکدیگر در تعامل هم هستند. و از NMR می‌توان برای اندازه‌گیری این برهم‌کنش‌ها، استفاده کرد. NMR درواقع یک پروب بسیار حساس به فاصله بین‌اتمی است.
چنین اندازه‌گیری‌هایی علاوه بر ترکیب، اطلاعات ساختاری فصل مشترک را نیز در اختیار شما قرار می‌دهد. در اصل، می‌توان از این اطلاعات برای ساختن یک مدل سه‌بعدی برای فصل مشترک استفاده کرد: برای تعیین اینکه کدام فاز برای اولین بار تشکیل شده و روی فصل مشترک رسوب‌کرده است و پس از چرخه‌های الکتروشیمیایی بیشتر، چه فازهایی رسوب می‌کنند.
نهایتاً، ازآنجایی‌که برهم‌کنش بین هسته‌ها و محیط آن‌ها به تحرک هسته‌ها بستگی دارد، NMR حالت جامد می‌تواند به ما بینشی از میزان نظم و پویایی را در این فازها بدهد.
به‌طور بالقوه، NMR حتی می‌تواند برای بررسی روند تبادل یونی بین الکترود و الکترولیت از طریق فصل مشترک مورد استفاده قرار گیرد. این بسیار مفید است. زیرا ازآنجاکه انتقال یونی یک ویژگی مهم برای یک فصل مشترک پایدار است، باعث می‌شود باتری به‌طور مداوم و بدون افزایش مقاومت سطحی چرخه‌های الکتروشیمیایی را تجربه کند.
سؤالی که اینجا مطرح می‌شود این است که چالش‌هایی در این روش وجود دارد؟
گفته می‌شود بزرگ‌ترین محدودیت NMR، حساسیت کم آن است. برای به دست آوردن این حجم زیاد از اطلاعات، ما نیاز به الکترودهایی با مساحت‌های بزرگ و تشکیل قابل‌توجهی از فازهای میانی داریم.
علاوه بر آن، ایزوتوپ‌های فعال NMR غالباً فراوانی کمی دارند، بنابراین ما اغلب مجبوریم الکترولیت یا الکترود را با ایزوتوپ‌های فعال NMR برچسب بزنیم تا قابل تشخیص باشند. به‌عنوان مثال، کربن 13 فقط 1 درصد وفور طبیعی دارد، برای آشکارسازی فازهای میانی آلی، باید آن‌ها را با استفاده از یک حلال غنی‌شده کربن 13، الکترولیت را با کربن 13 غنی کنیم.
چالش دیگر این روش این است که تا به امروز، مطالعه فصل مشترک‌ها و فازهای میانی محدود به مطالعات خارج از محل است که در آن سلول باتری باید متوقف شده و با دقت از هم جدا شود.
سوال بعدی که وجود دارد این است که چگونه می‌توان بر این محدودیت‌ها غلبه کرد؟
برای غلبه بر محدودیت حساسیت، استفاده از رویکرد جدیدی به نام قطبش هسته‌ای پویا آغاز شده است. در چند سال گذشته، نشان داده شده است که با استفاده از چرخش‌های الکترونی، که یک لحظه مغناطیسی بسیار بزرگ‌تر از چرخش هسته‌ای دارد، افزایش دو تا چهار برابر حساسیت فراهم می‌شود. چنین حساسیتی می‌تواند تأثیر بسزایی بر میزان اطلاعاتی که از طریق NMR در فصل مشترک‌های بسیار چالش‌برانگیز دریافت می‌شود، داشته باشد.
نهایتاً، اگر ما قادر به چرخش باتری‌های خود برای به دست آوردن داده‌های NMR از آن‌ها بودیم، می‌توانستیم زمان واقعی اطلاعات در مورد تشکیل و تکامل فصل مشترک الکترود-الکترولیت را به دست آوریم. در صورت دستیابی، مطالعات NMR مربوط به فصل مشترک الکترود-الکترولیت، توانایی ما در درک این سیستم‌های پیچیده و مهم را کاملاً متحول می‌کرد.
منبع:
https://www.advancedsciencenews.com/methods-perspectives-assessing-battery-interfaces-via-nmr/
طیف‌سنجی NMR حالت جامد، برای تشخیص اکثر عناصر موجود در جدول تناوبی قابل استفاده است، زیرا بیشتر عناصر حداقل یک ایزوتوپ با چرخش هسته‌ای غیر صفر دارند. بنابراین NMR می‌تواند برای تشخیص بیشتر فازهای آلی و معدنی تشکیل شده در فصل مشترک الکترود – الکترولیت استفاده شود. با NMR حالت جامد، می‌توان با تشخیص مؤثر تغییرات جزئی در محیط‌های شیمیایی هسته‌ها، فازهای مختلف را تشخیص داد. بنابراین، به دست آوردن طیفی از فصل مشترک الکترود، یک نقشه ترکیبی از فازهای میانی ایجادشده از چرخه‌های الکتروشیمیایی را فراهم می‌کند.
علاوه بر آن، ازآنجایی‌که این نقشه ترکیبی کمی است، می‌توان از آن برای تعیین کمیت شکل‌گیری و تکامل این فازهای میانی، بسته به وضعیت شارژ الکترود استفاده کرد.
ازآنجایی‌که هسته‌های آشکارشده درواقع آهنرباهای کوچکی هستند، با یکدیگر در تعامل هم هستند. و از NMR می‌توان برای اندازه‌گیری این برهم‌کنش‌ها، استفاده کرد. NMR درواقع یک پروب بسیار حساس به فاصله بین‌اتمی است.
چنین اندازه‌گیری‌هایی علاوه بر ترکیب، اطلاعات ساختاری فصل مشترک را نیز در اختیار شما قرار می‌دهد. در اصل، می‌توان از این اطلاعات برای ساختن یک مدل سه‌بعدی برای فصل مشترک استفاده کرد: برای تعیین اینکه کدام فاز برای اولین بار تشکیل شده و روی فصل مشترک رسوب‌کرده است و پس از چرخه‌های الکتروشیمیایی بیشتر، چه فازهایی رسوب می‌کنند.
نهایتاً، ازآنجایی‌که برهم‌کنش بین هسته‌ها و محیط آن‌ها به تحرک هسته‌ها بستگی دارد، NMR حالت جامد می‌تواند به ما بینشی از میزان نظم و پویایی را در این فازها بدهد.
به‌طور بالقوه، NMR حتی می‌تواند برای بررسی روند تبادل یونی بین الکترود و الکترولیت از طریق فصل مشترک مورد استفاده قرار گیرد. این بسیار مفید است. زیرا ازآنجاکه انتقال یونی یک ویژگی مهم برای یک فصل مشترک پایدار است، باعث می‌شود باتری به‌طور مداوم و بدون افزایش مقاومت سطحی چرخه‌های الکتروشیمیایی را تجربه کند.
سؤالی که اینجا مطرح می‌شود این است که چالش‌هایی در این روش وجود دارد؟
گفته می‌شود بزرگ‌ترین محدودیت NMR، حساسیت کم آن است. برای به دست آوردن این حجم زیاد از اطلاعات، ما نیاز به الکترودهایی با مساحت‌های بزرگ و تشکیل قابل‌توجهی از فازهای میانی داریم.
علاوه بر آن، ایزوتوپ‌های فعال NMR غالباً فراوانی کمی دارند، بنابراین ما اغلب مجبوریم الکترولیت یا الکترود را با ایزوتوپ‌های فعال NMR برچسب بزنیم تا قابل تشخیص باشند. به‌عنوان مثال، کربن 13 فقط 1 درصد وفور طبیعی دارد، برای آشکارسازی فازهای میانی آلی، باید آن‌ها را با استفاده از یک حلال غنی‌شده کربن 13، الکترولیت را با کربن 13 غنی کنیم.
چالش دیگر این روش این است که تا به امروز، مطالعه فصل مشترک‌ها و فازهای میانی محدود به مطالعات خارج از محل است که در آن سلول باتری باید متوقف شده و با دقت از هم جدا شود.
سوال بعدی که وجود دارد این است که چگونه می‌توان بر این محدودیت‌ها غلبه کرد؟
برای غلبه بر محدودیت حساسیت، استفاده از رویکرد جدیدی به نام قطبش هسته‌ای پویا آغاز شده است. در چند سال گذشته، نشان داده شده است که با استفاده از چرخش‌های الکترونی، که یک لحظه مغناطیسی بسیار بزرگ‌تر از چرخش هسته‌ای دارد، افزایش دو تا چهار برابر حساسیت فراهم می‌شود. چنین حساسیتی می‌تواند تأثیر بسزایی بر میزان اطلاعاتی که از طریق NMR در فصل مشترک‌های بسیار چالش‌برانگیز دریافت می‌شود، داشته باشد.
نهایتاً، اگر ما قادر به چرخش باتری‌های خود برای به دست آوردن داده‌های NMR از آن‌ها بودیم، می‌توانستیم زمان واقعی اطلاعات در مورد تشکیل و تکامل فصل مشترک الکترود-الکترولیت را به دست آوریم. در صورت دستیابی، مطالعات NMR مربوط به فصل مشترک الکترود-الکترولیت، توانایی ما در درک این سیستم‌های پیچیده و مهم را کاملاً متحول می‌کرد.
منبع:
https://www.advancedsciencenews.com/methods-perspectives-assessing-battery-interfaces-via-nmr/
ارسال به دوستان