监测电解液电池电气飞机的电解质稳定性

改用电力运输是减少CO的一种方法₂排放及其对气候的负面影响。锂空气电池可以在这一转变中发挥重要作用，因为它们有潜力提供已知的最高理论能量密度(3400 Wh/kg)。锂-空气电池的发展需要高度稳定的电解质，在操作条件下耐分解。Donald Dornbusch博士，Rocco Viggiano博士和瓦迪姆博士从美国宇航局Lvovich使用监测技术,利用电化学阻抗谱(EIS)和核磁共振(NMR)了解电解质的模式的退化和开发高度稳定的电池组件的总体目标提高锂空气电池的充电周期数。

电气飞机是美国宇航局的绿色航空计划前进的方向;旨在改变全球运输系统的努力，符合未来航空航天任务的储能挑战。

NASA需要新的电池材料，以使它的视觉，以及锂 - 空气必须提供具有最高已知理论能量密度电池（3400瓦时/千克）的潜力。在物理学中，能量密度为每一个给定的系统的质部所存储的能量的量。换句话说，具有较高的能量密度的给定质量的电池将推动车辆比相同质量的电池更快，进一步，但较少的能量密度。为了进行比较，锂离子电池具有100-265瓦时/千克的能量密度值，什么可以用锂 - 空气在理论上达到小于10％。锂 - 空气电池使用锂的氧化在阳极（正电极）和氧的还原在阴极（负电极）。当减少，氧的氧化过程中获得由锂失去电子，这电子转移将感应出电流流动。大规模，超高能量，可充电，安全的锂空气电池的发展需要高度稳定的电解质，有时操作条件下不分解。

研究人员需要了解对电解质分解模式的理解，以优化具有更高特定能量的锂气电池的设计原理。基于NASA的高功率专家跨组织团队组合了基本化学分析，先进的材料科学，电池开发和超级计算机建模，以解决识别可以的先进超高能量电池的新型电解质组件的具有挑战性问题满足美国宇航局任务和地面运输的储能挑战。

基于美国NASA John H. Gleng Research Center的研究人员包括Vadim Lvovich博士，Rocco Viggiano博士和Donald Dornbusch博士。该团队使用称为电化学阻抗光谱（EIS）的技术与核磁共振（NMR）一起监测电极处发生的化学反应，并预防和造影可影响效率和数量的分解产物的形成锂电池充电周期。EIS允许科学家通过应用电激励信号并监测电流流动的改变来研究电化学系统的功能。NMR是一种非常敏感的技术，它使用强磁场来识别溶液中分子的存在和结构完整性。该团队使用NMR来识别通过分解电解质产生的分子。

锂气电池中的电极反应
The team’s recent paper (Dornbusch, D et al 2020) describes the energy generation in a lithium-oxygen cell as a multi-step process that involves three phases – gaseous (oxygen), liquid (electrolyte with lithium ions) and solid (carbon cathode). The oxygen, which is dissolved in the electrolyte, will react with lithium ions within the porous surface of the carbon electrode, yielding lithium peroxide (Li₂O.₂）.在此过程中，碳酸锂(Li₂CO._3.)，作为副产物形成，在电极表面积聚，降低电池效率，导致电解液分解。

最近的研究还描述了空气阴极材料和结构如何在电池性能中发挥重要作用。表面积和最佳孔隙度对于保持高功率和实现高能量来说是重要的。具有相同孔隙率但不同孔径分布的电极表示由于电极钝化引起的不同性能。例如，具有较大孔径尺寸的电极的低表面积导致更严重的电极钝化。类似地，由有机电解质分解引起的阴极形态的降解可以导致锂空气电池的效率和寿命的严重降低。

更高的能量密度电池将对我们未来的运输需求产生显着差异，从而实现更环保的技术。

新型电解质候选设计标准
在他们的研究中，NASA团队指定由其中用于锂 - 空气电池新颖有机电解质将被选择的标准，突出能够溶解锂盐，氧和氧自由基的高摩尔浓度的介质的重要性。这是因为锂离子和溶解的氧所需要的反应在阴极表面发生。此外，电解质添加剂可用于修改在阴极表面上发生的化学反应。例如，硝酸锂添加剂已经显示出促进氧还原的基于溶液的方法，从而提高了电池的循环寿命。稳定电解质还需要一个极性原子的可用性，以协调对Li离子，具有高的蒸气压和高给体数。

EIS测量以三种类型的测试细胞条件进行：直接在细胞组装后，在细胞排出后，并在完全充电后。通过质子NMR光谱检测分解电解质的状态。NMR分析的样品在与EIS测量相同的三个相应的细胞条件下（初始，放电和充电）。

电解质候选人是由于其锂和氧的溶解度，高极性和预期的高稳定性，这是上述锂氧化学的理想特征。理想情况下，锂氧的合适溶剂应该具有高蒸气压，以防止快速蒸发。

从简单N，N-二甲基乙酰胺（DMA）和脲Tetramethlyurea（TMU）的变化被选择所得的电解质候选。电解质溶液用0.5M锂双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂（LiTFSI）的硝酸锂的混合物和0.5M硝酸锂（其制备_3.）.

一个强大的工具来帮助先进的电池组件的开发
美国宇航局的研究人员得出结论，尿素化合物的分解程度比乙酰胺大得多。N,N-二甲基吡戊酰胺(TMDMA)是TMA的一个空间位阻衍生物，最稳定，其次是DMA。DMA及其衍生物的核磁共振波谱显示出未受污染的峰，与文献数据库吻合较好。尿素衍生的候选化合物具有对应甲醇、乙酸和甲羟胺的降解峰，而乙酰酰胺以甲醇为主。结果表明，EIS和NMR数据对电解质降解程度的经验一致，支持细胞循环性能。

开发功能稳定的新型电解质是锂氧电池研究的主要目标之一。对于锂氧化学而言，EIS和NMR的结合为分析反复放电和再充电循环中发生的分解反应提供了一个强有力的工具，使研究人员能够选择最稳定的电解质。锂氧电池的化学环境具有很强的腐蚀性，导致每次循环充电电位都依次升高，电解质降解加速，最终导致电池循环寿命缩短。

转向电力运输有可能使我们对化石燃料的消耗最小化，从而减少一氧化碳₂排放及其对气候变化的负面影响。美国宇航局研究人员开发的EIS/NMR分析方法将用于开发先进的电池组件，如优化设计的电解质和阴极，具有良好的结构，以提供更高的比能量和更长的电池循环寿命。更高能量密度的电池将大大改变我们未来的交通需求，使绿色技术的发展，如电动飞机和高性能电动汽车。