Analyse auf Knopfdruck unterstützt Studien zu Spitzentechnologie bei Batterien

Von Eric Sigmund, Northwestern University Evanston, Illinois

Die Möglichkeit, per Knopfdruck eine im anderen Fall sehr langwierige Datenanalyse durchzuführen, hat die Untersuchung elektrolytischer Materialien, wie sie in Batterien verwendet werden, rationalisiert. Einer der entscheidensten Teile in der Untersuchung und Entwicklung von polymeren und amorphen ionischen Elektrolyten ist das Detailverständnis von freier Ionenbewegung innerhalb der Substanz. Mit Nuklearer Magnetresonanz (NMR) gibt es ein hervorragendes Verfahren, um dies zu untersuchen, weil so selektive Messungen des Verhaltens einzelner Atomarten in einem "Zoo" von Ionen und Molekülen vorgenommen werden können. Forscher an der Northwestern University entwickelten dafür verschiedene Makroprogramme, die eine bedeutende Zeitersparnis durch die schnelle Berechnung der Erholungszeiten von Kristalldrehungen (T1) ermöglichten, was für die Evaluation neuer elektrolytischer Materialien entscheidend ist.

Auf welche Art und Weise ermöglichen oder verhindern die Polymere und verschiedenen synthetischen Moleküle von amorphen ionischen Elektrolyten die Ionenbewegung? Wie können additive Moleküle ausgewählt werden, um diese Bewegung zu optimieren? Welche Leitfähigkeit kann durch diese konstruierte Moleküldynamik erreicht werden? Die Forscher der Northwestern University untersuchen diese Fragen, die für die Entwicklung verbesserter Batterien entscheidend sind, indem sie NMR für die Betrachtung von Ionenbewegungen einsetzten.

Die Genauigkeit NMR
Die Genauigkeit der NMR ist für den Versuch, der räumlichen und zeitlichen Bewegung der primären Ladungsträger, Lithium-Kathionen, im Elektrolyt zu folgen, entscheidend. Mit NMR wird mit einem Prüfkopf die Magnetfeldverteilung innerhalb eines Materials gemessen. Wird eine Atomart gewählt, kann die Entwicklung dieser Art spektroskopisch beobachtet werden. Die gewählten Teilchen besitzt einen eigenen magnetischen Moment, ähnlich dem eines kleinen Magnetstabs. Dieser eigenleitende Moment wird durch Abstoßung erzeugt und das Teilchen bewegt sich wie ein Kreisel um das eigene lokale Feld. Auf diese Art wird ein Frequenzspektrum und somit magnetische Felder, erfaßt. Dies gibt Aufschlüsse über die Struktur des Materials, über die nukleare Bewegung innerhalb dieser Strukturen und deren verschiedene innere Wechselbeziehungen.

In diesem Fall wird versucht, die Ionenbewegung zu messen. Die NMR Hilfsmittel ziehen dabei ihren Vorteil aus der Entwicklung der gesamten Kationen-Gruppe, die sich um das als magnetisch abgetastete Material herumbewegegen. Insbesondere wurde von den Forscherun eine "Erholungsmessung" und einige vorausgehende "Streuungsmessungen" durchgeführt, die ein direktes Ergebnis der Bewegung selbst liefern. Die Erholungsmessungen, die überwiegend aus einer Klasse von "Kristall-Drehungs-Erholung" bestanden, bestanden aus der Messung von Wechselwirkungen der Drehungen mit jedem anderen oder der äußeren Umgebung. Gemessen wurde in Zeiteinheiten, als Erholungszeit bezeichnet.