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より効果的で持続可能なエネルギー貯蔵の実現には、新しいバッテリー（電池）技術の開発を加速し、現行製品の製造を最適化する必要があります。卓上型NMRは、バッテリーのライフサイクル全体にわたり、電流を流す液体電解質とバッテリーシステムの双方において重要な材料の特性評価を提供します。コンパクトな 広帯域卓上型NMR「X-Pulse」は、NMR分光法の中核となる分析能力を、バッテリーの研究開発や品質管理に必要なさまざまな環境にもたらします。広帯域多核機能を追加することで、1台の装置で電解液中の主要な化学種すべての特性評価が可能になり、幅広いアプリケーションに対応できます。
現在、市販されている電池や今後5年以内に生産が開始されると予想される技術は、すべて液体電解質をベースにしています。このため、NMRはその開発を支援するための最適な分析ツールとなっています。電解液の役割は、基本的にはイオンに自由な脱インターカレーション環境を提供し、電池の正極と負極の間で電流を流すことにあります。
塩類・有機溶剤・添加剤の種類が多岐にわたるため、組成や比率が異なる電解質は、熱抵抗・化学的安定性・イオン伝導性・電極との相性などに大きな違いが生じることがあります。これは、電池の性能・寿命・安全性・適用範囲に大きな影響を与える可能性があります。したがって、電池技術の開発や品質管理には、電解質の特性を正確かつ網羅的に把握し、その作用方法を理解し、管理することが不可欠です。
電解質の開発
現在の電解質は、Li＋またはNa＋塩のいずれかを有機溶媒の混合物、典型的には炭酸エチル（EC）・炭酸ジエチル（DEC）・炭酸ジメチル（DMC）または炭酸プロピレン（PC）に溶解させたものに基づいています。これらの電解質の性能を理解するための重要なパラメータの一つは、イオン移動度です。当社のX-Pulse広帯域卓上型NMR分光計を使用することにより、電解質中のすべての異なる種の拡散係数とイオン移動度を、開発化学が行われている同じラボで迅速に測定することができます。1台のX-Pulseで利用できる幅広いNMR活性核は、陽イオン(7Li, 23Na)、陰イオン(31P, 11B, 19F)、溶媒(1H,13C)の成分をすべて独立して測定できることを意味します。
単一系で集めた3つの核のPFGSE実験結果、1Hスペクトルは溶媒、19Fは陰イオン、7LiはLi陽イオンを示します。
電流発生用電解質が不安定であることはよく知られています。数多くの充放電サイクルを経て、多種多様な絶縁破壊生成物が形成される可能性があります。単一の19Fスペクトルとそれはこれらのほとんどを識別することが可能です。LiFやフッ化水素酸のような一般的な化合物は、60MHzでもスペクトルの非常に別々の領域を識別します。卓上型NMRの柔軟性により、各放電サイクル後の電解質の迅速なチェックを行い、劣化を支えるプロセスを理解することが可能になります。
7Li：Li濃度を定量化し、化学環境の変化を迅速に把握
19F: 主なフッ素系成分、分解生成物、汚染物質を特定
定量NMR (qNMR) は、溶媒や添加剤、微量不純物の正確な濃度を測定します。これらの組成を正確に把握することで、電解質の粘度、誘電率および長期的な化学的安定性を最適化できます。例えば、慎重に濃度制御された微量ポリマーベースの不純物を添加することで、固体電解質界面 (SEI, sold electrolyte interphase) に適した不動態被膜を形成することができます。これらの膜は、電池の自己放電率を低減し、クーロン効率を向上させます。このように、qNMRは新しい電解質の研究開発や品質管理において重要な役割を果たしています。
App Note: qNMRによる電池用電解質の最適化品質管理
広帯域卓上型 NMRは、バッテリー電解液の品質管理を改善するための強力で使いやすい手法です。受入原材料や最終製品をチェックし、これらの複雑な混合物の化学組成や純度を調べます。これには、1H NMR を使用した溶媒の分析や、19F, 31P, 11B NMR を使用したフッ化物塩や分解抑制剤の分析が含まれます。さらに、溶液中の電解質カチオン種の特性は 7Li および 23Na NMR で決定されます。
電解液の分解中および分解後に、分解生成物が迅速に検出され、市販のリチウムイオン電池におけるセル内性能差の原因が診断されます。NMR反応モニタリングにより、競合する反応のキネティクスを正確にキャラクタライズできます。さらに、パルス磁場勾配NMRは、「良好な」電解液と劣化した電解液の自己拡散など、物理的特性の違いを定量化します。
水の添加前後の電解質サンプルの自己拡散係数（ 19F PGSE NMR スペクトルのStejskal-Tannerプロット）
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