Lithium-ion Behaviour in Hard Carbon Anodes: Insights from 7Li NMR Spectroscopy

Abstract: Litiumjonbatterier (LIB) är viktiga komponenter i dagens teknologi och används för att driva en mängd olika elektroniska system, allt från datorer och mobiltelefoner till bilar och flygplan. Eftersom efterfrågan på effektiv energilagring fortsätter att växa finns ett fortsatt behov för forskning och utveckling inom området. Denna rapport undersöker hårt kol, ett lovande material för anoder i litiumjonbatterier och andra alkali-jon batterier. I likhet med grafit är hårt kol ett kolbaserat material som inte är en väldefinierad allotropp utan en komplex blandning med avseende på både hybridiseringstillstånd och långdistansordning.  Därför är den mycket dåligt definierat. Ändå är hårt kol ett önskvärt material eftersom det kan produceras från förnybara resurser samt på grund av dess kompatibilitet med natrium, vilket möjliggör natriumjonbatterier. I den här studien har elektroder av hårt kol syntetiserats och litierats i olika grader och sedan studerats med 7Li NMR-spektroskopi där både spektra och longitudinella relaxationshastigheter mättes. Vid lägre litieringsnivåer observerades tydliga smala 7Li toppar inom intervallet 4-16 ppm, vilket indikerar förekomsten av joniskt litium. Vid högre litieringsnivåer framträdde en bred topp vid 61 ppm. Utseendet av denna topp, tillsammans med en hög Knight-skift, indikerar närvaron av kvasi-metalliskt litium. Det är värt att notera att detta kvasi-metalliska litium finns i de oordnade och porösa områdena hos hård kol. 7Li longitudinella relaxationshastigheter, som rapporterar om jonisk dynamik, registrerades vid olika temperaturer och från det observerade temperaturberoendet beräknades den genomsnittliga aktiveringsenergin för de involverade joniska rörelserna. Intressant nog visade sig denna aktiveringsenergi vara lägre jämfört med den i PAN-baserade kolfibrer och grafit, som båda uppvisar en högre grad av ordning. Denna observation tyder på ett samband mellan lokal oordning och snabbare jondynamik.