Magnetna resonanca omogoča analizo baterij

Običajno pišemo o novih odkritjih na področju baterij, ko raziskovalci odkrijejo nove načine, kako vsaj v teoriji v baterijo stisniti več energije, podaljšati njeno dolgoživost ali pospešiti polnjenje. To pot pa predstavljamo zanimiv dosežek newyorških in cambriških raziskovalcev, ki so se posvetili analizi baterij. Odkrili so namreč, kako pogledati v strukturo elektrod, ne da bi baterijo odprli, razstavili ali kako drugače trajno onesposobili.

To jim je uspelo z znano tehniko jedrske magnetne resonance (NMR), ki se v medicini uporablja za neinvazivno, neškodljivo in zelo natančno slikanje mehkih tkiv, v kemiji pa za določanje strukture (predvsem organskih) molekul. Tehnika izrablja lastnost nekaterih atomskih jeder, ki imajo nesparjeni spin. Ta jedra se v močnem magnetnem polju preferenčno orientirajo v smeri zunanjega magnetnega polja, nekoliko manj ugodna pa je antiparalelna orientacija. Energijska razlika med stanjema je nizka, zato jih lahko z obsevanjem z radijskimi valovi primerne frekvence obračamo. Z analizo frekvence, pri kateri se to zgodi, in iznihanja jeder po Fourierovi transformaciji zbranih podatkov izluščimo informacijo o strukturi.

Problem je, da magnetno polje ne prodre globoko v kovino, zaradi česar do sedaj NMR ni bilo mogoče uporabljati za slikanje kovinskih struktur, čeprav ima litij-7 zelo izrazit NMR-odziv zaradi spina -3/2. Znanstvenikom je ta problem uspelo rešiti. Ugotovili so, da so v litij-ionskih baterijah litijeve mikrostrukture, ki sicer uničujejo kapaciteto baterije in krajšajo njeno življenjsko dobo, relativno porozne ("mahovita struktura"), kar omogoči večjo penetracijo magnetnega polja. Še vedno sicer ni mogoče zaznati neposredno submikroskopske strukture elektrod, a je mogoče iz globine signala sklepati na strukturo. Močnejši kot je NMR-odziv, več mikrostruktur se je tvorilo.

Raziskovalci so hipotezo preizkusili na posebej pripravljeni enostavni litijevi (ne litij-ionski) bateriji in uspeli dobiti dobre posnetke notranjosti. Ti so seveda še vedno neprimerljivi z elektronsko mikroskopijo, a ima tehnika veliko prednost, da je baterijo še vedno mogoče uporabljati. To omogoča študijo spreminjanja mikrostrukture iste baterije po več ciklih polnjenja in praznjenja, kar bo v pomoč pri načrtovanju boljših baterij. O odkritju pišejo v reviji Nature Materials.