Buổi Phỏng Vấn: “Ứng Dụng Của NMR Để Bàn Trong Phân Tích Chất Điện Phân Pin”

Ứng dụng của NMR để bàn trong phân tích chất điện phân pin

Trong buổi phỏng vấn này, chúng tôi trò chuyện với Tiến sĩ James Sagar, Quản lý Chiến lược Sản phẩm và Ứng dụng của Oxford Instruments, về ứng dụng của NMR để bàn trong phân tích chất điện phân pin.

Bạn có thể giới thiệu về các tiện ích mà Oxford Instruments cung cấp cho ngành công nghiệp pin được không?

Chúng tôi tập trung mạnh mẽ vào lĩnh vực pin tại Oxford Instruments. Các nghiên cứu mà chúng tôi cung cấp cho ngành công nghiệp pin bao gồm nhiều giải pháp phân tích, từ kiểm soát chất lượng đến sản xuất thành phần và xử lý nguyên liệu thô. Các giải pháp của chúng tôi được sử dụng cho nhiều ứng dụng, bao gồm nghiên cứu cao cấp về phát triển vật liệu mới cho pin, đánh giá chất lượng của nguyên liệu pin và vật liệu cho điện cực pin.

Trọng tâm của buổi phỏng vấn này là các thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) của chúng tôi. Chúng được sử dụng trong việc phát triển sản phẩm cho chất điện phân lỏng và vấn đề kiểm soát chất lượng.

Sự khác biệt giữa một hệ thống NMR để bàn băng thông rộng và một thiết bị NMR truyền thống là gì?

Khi nghĩ đến NMR, người ta thường nghĩ đến những thiết bị to lớn trong một phòng chuyên biệt, đòi hỏi người vận hành được đào tạo chuyên sâu và sử dụng chất làm lạnh lỏng. Chúng tôi đã thu nhỏ công nghệ đó thành một thiết bị có thể đặt trên bàn làm việc trong một phòng thí nghiệm thông thường với NMR để bàn, mặc dù có độ mạnh từ trường từ yếu hơn. Giờ đây, chúng ta có thể thực hiện hiệu quả hầu hết các thí nghiệm giống như những thí nghiệm trước đây yêu cầu một hệ thống NMR trường từ cao truyền thống nhờ vào những hệ thống nhỏ gọn có chi phí thấp hơn.

Trong quá trình phát triển pin thế hệ tiếp theo, NMR để bàn băng thông rộng là một kỹ thuật mạnh mẽ. Chỉ cần một thiết bị để phân tích nhiều yếu tố quan trọng trong chất điện phân pin nhờ vào băng thông rộng.

Đây là một công nghệ mới và có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất của chất điện phân trong các hệ thống pin và để phát triển công thức mới.

Các yếu tố hiệu suất của thiết bị và các xem xét khác ảnh hưởng đến việc lựa chọn hệ thống NMR để bàn là gì?

Hệ thống NMR để bàn của chúng tôi có khả năng hoạt động mà không cần chất làm lạnh trong bất kỳ phòng thí nghiệm tiêu chuẩn nào ở nhiệt độ phòng. Người vận hành không cần phải là người được đào tạo chuyên sâu, có kinh nghiệm, hoặc làm việc chuyên môn. Cuối cùng, kích thước của máy phải cho phép đặt nó trong hộp chống khí trơ để phân tích vật liệu pin nhạy khí, di chuyển trên xe đẩy hoặc đặt trên bàn.

Tất cả các đỉnh quan trọng trong phổ của bạn nên được phân biệt bởi độ phân giải phổ của thiết bị. Độ nhạy cần thiết đủ để phát hiện các loại chất chính trong vật liệu mẫu. Để thực hiện đo lường chính xác lặp lại, cần cả sự ổn định. Một hệ thống thực sự “broadband” là cần thiết để có thể phân tích tất cả các nhân hóa học liên quan trong một công thức đặc tính của chất điện phân. Điều này có lợi cho việc đảm bảo sự hiểu biết tốt nhất về vật liệu.

Trong một số thí nghiệm tiên tiến, việc quan trọng là có khả năng khai thác cường độ từ trường xung. Việc sử dụng cường độ này cho phép đo lường truyền chuyển (cách các ion mang dòng di chuyển tùy thuộc vào điện tích của chúng), dẫn điện ion và hệ số khuếch tán. Yếu tố quan trọng cuối cùng là có khả năng sử dụng điều khiển nhiệt độ biến đổi để nghiên cứu điện phân trên các phạm vi hoạt động thông thường của pin.

Làm thế nào thiết bị X-Pulse NMR đáp ứng những yêu cầu này?

Thiết bị NMR để bàn mới nhất của chúng tôi là X-Pulse. Nó có thể giải quyết các phổ proton phức tạp ở cường độ từ trường 60MHz nhờ vào độ phân giải phổ tốt hơn 0.35 Hz tại mức độ cao nhất của một đỉnh.

X-Pulse đặt biệt vì nó là thiết bị NMR để bàn duy nhất có khả năng xử lý đa hạt nhân. Khả năng này cho phép người sử dụng thu thập các phổ từ nhiều hạt nhân xuất hiện trong chất điện phân, bao gồm cacbon, hydrogen, natri, boron, photpho, florua và lithi. Nhiệt độ của mẫu có thể được duy trì ở điều kiện hoạt động thông thường cho hầu hết các loại pin, tức là từ 20°C đến 60°C.

Các phổ NMR 1H, 19F, 31P và 7Li thu thập trên một thiết bị duy nhất hiển thị tất cả các thành phần của một công thức chất điện phân pin điển hình.

Các cường độ từ trường tiêu chuẩn có thể hiểu được các tính chất vật lý chính bằng cách đo lường sự tự khuếch tán của các loại cation và anion. X-Pulse có thể được đặt vào hộp chống khí trơ, được vận chuyển trên xe đẩy hoặc được lắp đặt trong bất kỳ phòng thí nghiệm nào nhờ vào kích thước nhỏ gọn. Sự ổn định cao của X-Pulse đảm bảo khả năng lặp lại dữ liệu chính xác cần thiết, đặc biệt là trong kiểm soát chất lượng.

Làm thế nào ứng dụng NMR để bàn trong phân tích chất điện phân pin?

Thành phần của pin lithium ion

Hầu hết các pin sẽ chứa một cực dương và một cực âm với chất điện phân và một lớp tách biên rỗng giữa chúng. Chất điện phân bên trong pin sẽ chứa một muối lithi; muối lithi phổ biến nhất là lithi TFSI ((bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)), lithi tetrafluoroborate và lithi hexafluorophosphate.

Muối được hòa tan trong một dung môi hữu cơ – ví dụ dimethyl carbonate và ethylene carbonate. Đôi khi chúng có thể bao gồm các phụ gia được sử dụng để cải thiện hiệu suất của chất điện phân đó.

Mục đích của những chất phụ gia này là cải thiện việc tạo thành một lớp chất điện phân rắn ở các điện cực hoặc tăng cường tính ổn định. Lớp bảo vệ này có thể gây mất dung lượng pin nhưng bảo vệ các điện cực trong khi vẫn cho phép truyền điện.

Khi đánh giá một loại pin tốt như thế nào, chúng ta thường sẽ dựa vào 5 tiêu chí:

  1. Tuổi thọ pin
  2. Chi phí
  3. An toàn
  4. Tốc độ sạc
  5. Dung lượng pin.

Chúng ta có thể đo lường nồng độ muối trong chất điện phân để hiểu rõ hơn về mật độ năng lượng và phát triển các công thức có mật độ công suất cao hơn. Chúng ta có thể xác định số chuyển động của các chất điện phân đó và dẫn điện ion bằng cách xác định hệ số khuếch tán của các loại chất trong chất điện phân. Năng lượng và công suất của pin, cũng như tuổi thọ pin, bị ảnh hưởng bởi các thông số trên cùng với sự biến động theo thời gian và nhiệt độ.

Việc xác nhận độ tinh khiết của nguyên liệu giúp chúng ta so sánh chất điện phân, cho phép đánh giá nhanh chóng tác động của các công thức mới cho sự phát triển của chất điện phân ổn định hơn và chất phụ gia. Về vấn đề tuổi thọ pin, chúng ta có thể theo dõi các phản ứng phân hủy chất điện phân để hiểu rõ hơn về quy trình của chúng.

Phân tích bằng NMR nhanh chóng các công thức của chất điện phân mới có thể giảm chi phí và tăng tốc quá trình phát triển. Ngoài ra, số lượng pin lỗi giảm đáng kể, và tuổi thọ pin được tăng lên.

Bạn có thể cung cấp cho chúng tôi một ví dụ thực tế về việc sử dụng NMR để bàn trong phân tích chất điện phân pin không?

Một khách hàng của chúng tôi muốn biết liệu NMR để bàn có thể xác định chính xác thành phần dung môi của họ để cải thiện quy trình kiểm soát chất lượng. Họ đặc biệt quan tâm đến vấn đề liệu có thể phân biệt giữa vật liệu chất lượng tốt và vật liệu chất lượng kém hay không. Nếu có thể, câu hỏi tiếp theo là vì sao vật liệu chất lượng kém lại cho thành phẩm không tốt? Trong ví dụ này, mẫu của khách hàng là sự kết hợp của ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate và lithium hexafluorophosphate.

Tuy nhiên, hai chất điện phân trong suốt này lại có hiệu suất khác nhau khi đặt vào pin. Chúng tôi nhận diện thấy một đỉnh nhỏ khi chúng tôi liên kết với với vinylene carbonate (một chất ổn định phổ biến), cũng như cả ethyl methyl carbonate và ethylene carbonate.

Sau khi xác định được rằng đỉnh nào liên kết với dung môi nào, chúng tôi sau đó có thể đo lường chính xác phần trăm trọng lượng đóng góp của cả hai dung môi. Dường như các dung môi này có cùng cấu trúc hóa học sau khi phát hiện ra không có sự khác biệt giữa các phổ đó. Điều này cho thấy rằng có lẽ có nguyên nhân khác nhau ảnh hưởng đến vấn đề hiệu suất.

Tiếp theo, chúng tôi cố gắng hiểu rõ về anion của chất điện phân đến từ muối lithium hexafluorophosphate. Để làm điều này, chúng tôi thu một phổ fluorine NMR. Ngay lập tức, chúng tôi nhận thấy có sự khác biệt trong phổ. Việc liên kết giữa fluorine và phosphorus trong hexafluorophosphate tạo ra một đỉnh kép trên phổ kết hợp.

Ở một tần số khác, chúng tôi cũng thấy một đỉnh kép khác. Điều này được gây ra bởi một sản phẩm phân hủy, cho thấy sự khác biệt trong hiệu suất là do sự phân hủy của muối. Qua quan sát, chúng tôi xác định rằng việc phân hủy của muối lithium thông qua phản ứng hydrolysis thông thường có lẽ là nguyên nhân gây ra sự khác biệt về hiệu suất.

Phân tích của chúng tôi giúp khách hàng giải quyết các vấn đề về hiệu suất của chất điện phân, điều này chứng minh rằng NMR để bàn có thể rất hữu ích trong các ứng dụng kiểm soát chất lượng.

Phân hủy là một vấn đề phổ biến khi làm việc với chất điện phân trong pin, và làm thế nào NMR để bàn có thể giải quyết vấn đề này?

Có nhiều con đường khác nhau mà các chất điện phân thông thường như dung môi cacbonat, muối tetraborat và lithium hexafluorophosphate có thể phân hủy. Chìa khóa để phát triển pin có tuổi thọ lâu hơn và an toàn hơn nằm ở đó, tất cả đều có thể được theo dõi thông qua việc sử dụng NMR để bàn.

Việc xem xét một ví dụ về hydrolysis sẽ giúp hiểu rõ hơn về vấn đề này. Bằng cách thêm một giọt nước vào một chất điện phân thương mại điển hình chứa hexafluorophosphate trong dimethyl carbonate, một phản ứng hydrolysis sẽ xảy ra, trong đó hexafluorophosphate phân hủy thành một kết hợp của pentafluorophosphate và lithium fluoride. Phần pentafluorophosphate tiếp tục phân hủy để tạo ra cả axit fluorophosphoric và axit hydrofluoric.

Nếu có đủ nước, axit phosphoric cũng sẽ được tạo ra. Chúng tôi theo dõi tiến triển của phản ứng bằng cách lấy các phổ mỗi 30 phút. Phản ứng này khá mạnh mẽ và diễn ra nhanh chóng, ngay cả với lượng nước tương đối nhỏ.

Chúng tôi có thể quan sát lượng sản phẩm phân hủy và tốc độ phản ứng qua các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy bằng cách ghi và so sánh loạt phổ này.

Làm thế nào kỹ thuật NMR Pulsed field gradient (PFG) có thể được sử dụng trong việc phát triển chất điện phân lỏng mới?

Biểu đồ Stejskal-Tanner cho 3 công thức chất điện phân của pin lithium-ion khác nhau theo phép đo lường các hệ số tự khuếch tán, dẫn điện và chuyển giao của các thành phần chính.

Có thể xảy ra trường hợp chỉ đo lường độ nhớt và độ dẫn điện ion của các công thức chất điện phân mới này. Đề xuất đo lường lượng điện tích được mang bởi một loại ion cụ thể cũng như hệ số khuếch tán của các loại ion khác nhau. Việc thực hiện điều này dự đoán sự cải thiện về hiệu suất của chất điện phân khi được đặt vào pin. Chúng ta có thể sử dụng PFG để ghi lại tất cả các thông số này, theo dõi sự thay đổi của biên độ tín hiệu tỉ lệ với hệ số tự khuếch tán của một phân tử.

Chúng ta kích thích mẫu bằng một xung 90 độ tiêu chuẩn và sau đó áp dụng một xung gradient qua mẫu để gây ra sự thay đổi pha trên mẫu. Nếu không có sự khuếch tán, việc áp dụng một xung thứ hai 180 độ và một xung gradient bổ sung sẽ cho phép chúng ta thấy cùng một tín hiệu như trước đó.

Lưu ý rằng chúng ta sẽ thấy độ mạnh của tín hiệu bị giảm phụ thuộc vào hệ số khuếch tán phân tử và sức mạnh của xung gradient đó, và nếu phân tử trong dung dịch của chúng ta khuếch tán trong khoảng thời gian giữa hai xung gradient đó. Chúng tôi xem xét các đỉnh trong phổ sau khi thực hiện nhiều phép đo và nhận thấy sự giảm tín hiệu.

Dữ liệu này phù hợp với phương trình Stejskal-Tanner để chúng ta có thể tính toán hệ số khuếch tán cho mẫu cụ thể trong dung dịch. Chúng tôi có thể đo hệ số khuếch tán cho các phân tử dung môi bằng hydro sử dụng phổ NMR băng thông rộng, cũng như đo lường cho mỗi loại ion bằng phosphorus, boron, fluorine, hoặc lithium.

Sau đó chúng tôi tính toán điện trở ion của quá trình chuyển động của cation và điện giải khi có các hệ số khuếch tán đó. Đây là các tham số rất hữu ích khi phát triển các dung dịch điện phân mới. Chúng ta cũng có thể hiểu được cách quá trình phân rã ảnh hưởng đến khuếch tán bằng cách đo lường trên các dung dịch điện phân ở các giai đoạn khác nhau của quá trình phân rã. Điều này cũng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các tính chất vật lý của một dung dịch điện phân.

Cuối cùng, bạn có thể tóm tắt ngắn gọn lý do tại sao các thiết bị NMR như X-Pulse phù hợp để nghiên cứu vật liệu pin không?

NMR để bàn là lựa chọn hoàn hảo cho phổ đơn giản tương đối mà chúng ta thu được từ vật liệu pin và ngược lại. Chúng ta có thể đo lường nhanh chóng nồng độ các thành phần chính trong vài phút, cũng như thực hiện đo lường chất lượng và nguồn gốc nguyên liệu. Điều này giúp chúng ta nhận được kết quả gần như tức thì về các công thức mới trong nghiên cứu và phát triển, đảm bảo chúng ta hiểu rõ các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất và chúng ta đang sản xuất những gì chúng ta mong đợi.

Chúng ta có thể nghiên cứu các tính chất vật lý của dung dịch điện phân thông qua các thí nghiệm khuếch tán. Trong quá trình kiểm soát chất lượng, chúng ta có thể xác định xem có sự phân hủy nào đang diễn ra hay không hoặc liệu có chất ô nhiễm nào đó xuất hiện bằng cách thực hiện các phép đo nhanh chóng. Cuối cùng, chất lượng, hiệu suất và chi phí của sản phẩm đều được cải thiện thông qua phân tích bằng thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân để bàn X-Pulse.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

DMCA.com Protection Status