Deconstructing the Electrode-Electrolyte Interface by Novel NMR Methodology

Descrizione del progetto

Alimentare l’efficienza delle batterie di nuova generazione

Per affrontare la crisi climatica sempre più grave, batterie ricaricabili più efficienti sono essenziali per ottimizzare le fonti energetiche sostenibili. Le attuali tecnologie delle batterie non sono in grado di soddisfare le richieste di stoccaggio dell’energia di prossima generazione. Una sfida cruciale sta nel comprendere e controllare la chimica all’interfaccia elettrodo-elettrolita, dove l’interfase elettrolita solida (SEI) gioca un ruolo determinante. La SEI deve consentire un trasporto continuo di ioni, ma i meccanismi non sono del tutto noti. In questo contesto, il progetto SEISPY, finanziato dal CER, si propone di colmare questa lacuna utilizzando tecniche NMR avanzate per sondare la dinamica degli ioni a livello atomico. L’obiettivo è quello di scoprire i componenti SEI e il loro ruolo nello scambio ionico, fornendo spunti per la progettazione di batterie di nuova generazione di qualità superiore.

Obiettivo

More efficient rechargeable batteries must be developed for utilizing sustainable energy sources and stopping the rapidly advancing climate change. The current technology cannot be merely extended for the next-generation storage systems. New approaches are required, especially for understanding and controlling the complex chemistry at the electrode-electrolyte interface. It has already been established that such control can, in principle, be realized by the solid electrolyte interphase (SEI), a stable passivating layer formed on the electrode. Such a layer should enable continuous transport of ions across it, but the fundamental understanding of what SEI components and architectures may give rise to such transport is not yet available. The ultimate goal of this ERC project is to establish structure-function correlation for the SEI by implementing methodologies for directly probing interfaces at the atomic-molecular level and for guiding the design of novel interphases.
We will achieve this goal by introducing to materials science a set of NMR 'tools' based on chemical exchange saturation transfer (CEST), commonly used to study dynamics in biomolecular-NMR. Here we propose to develop variants of CEST to probe ion dynamics across the SEI. Implementing these new approaches in situ, we will disentangle the multistep transport process at the electrolyte-SEI-electrode interfaces. Coupled with sensitivity enhancement by Dynamic Nuclear Polarization from inherent polarization sources, we will identify the SEI components participating in the ion exchange processes. Integrating our results with the battery performance, we will determine the pathways and bottlenecks for transport across the SEI.
Applying advanced NMR methods combined with controlled surface chemistry to state-of-the-art battery materials, such as lithium and beyond metal anodes, high-energy cathodes and composite electrolytes, we will establish design rules for next-generation energy storage systems.