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17 Luglio 2023
Le esigenze di accumulo di energia sono in continua crescita, dall'uso diffuso dell'elettronica portatile al mercato dei veicoli elettrici in rapida evoluzione. Per garantire che questa domanda possa essere soddisfatta, è necessario sviluppare costantemente nuove tecnologie per le batterie e ottimizzare la produzione delle tecnologie attuali. Lo spettrometro NMR da banco può svolgere un ruolo importante in questo ambito.
Attualmente, tutte le batterie commerciali e le tecnologie che si prevede entreranno in produzione nei prossimi cinque anni si basano su elettroliti allo stato liquido. Ciò rende l'NMR uno strumento analitico perfetto per supportare il loro sviluppo. Il ruolo dell'elettrolita è essenzialmente quello di fornire un ambiente di intercalazione libero per gli ioni e di realizzare la conduzione di corrente tra gli elettrodi positivi e negativi della batteria. A causa dell'ampia varietà di sali, solventi organici e additivi, gli elettroliti con composizioni e rapporti diversi possono presentare differenze significative in termini di resistenza termica, stabilità chimica, conducibilità ionica e compatibilità con gli elettrodi. Ciò può influire notevolmente sulle prestazioni della batteria, sulla durata, sulla sicurezza e sul campo di applicazione. Pertanto, una caratterizzazione accurata e completa dell'elettrolita e la comprensione e il controllo del suo metodo d'azione sono indispensabili per lo sviluppo e il controllo della qualità della tecnologia delle batterie.
Figura 1 – Schema dei componenti di una batteria.
Gli elettroliti attuali si basano su sali di Li+ o Na+ disciolti in una miscela di solventi organici, tipicamente carbonato di etile (EC), dietilcarbonato (DEC), dimetilcarbonato (DMC) o carbonato di propilene (PC). Uno dei parametri chiave per comprendere le prestazioni di questi elettroliti è la mobilità ionica. Utilizzando lo spettrometro da banco a banda larga X-Pulse, è possibile misurare il coefficiente di diffusione e quindi la mobilità ionica di tutte le diverse specie presenti nell'elettrolita in modo rapido e nello stesso laboratorio in cui avviene la chimica di sviluppo. L'ampia gamma di nuclei attivi NMR disponibili in un singolo strumento X-Pulse consente di misurare in modo indipendente i componenti di cationi (7Li, 23Na), anioni (31P, 11B, 19F) e solventi (1H,13C).
Figura 2 - Risultati dell'esperimento PFGSE per 3 nuclei raccolti su un singolo sistema, spettri 1H che mostrano il solvente, 19F che mostrano l'anione e 7Li che mostrano il catione Li.
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