(Invited) Molecular-Level Understanding of Ion Intercalation Mechanisms in Aluminum and Zinc Battery Electrodes Revealed By Solid-State NMR Spectroscopy

插层(化学) 固态核磁共振 魔角纺纱 锌 核磁共振波谱 电化学 化学 无机化学 光谱学 材料科学 电极 物理化学 核磁共振 有机化学 量子力学 物理
作者
Robert J. Messinger,Ankur Jadhav,Brendan E. Hawkins,Jeffrey H. Xu
出处
期刊:Meeting abstracts [Institute of Physics]
卷期号:MA2019-01 (5): 545-545
标识
DOI:10.1149/ma2019-01/5/545
摘要

Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful and quantitative characterization tool that can elucidate the local chemical, structural, and electronic changes that battery materials undergo upon electrochemical cycling. However, to date no solid-state NMR experiments have been reported that directly probe multivalent aluminum or zinc cations within intercalation electrodes, in part due to their challenging quadrupolar nature and in part due to the small number of structures that reversibly intercalate multivalent ions. Here, multi-nuclear solid-state magic-angle-spinning (MAS) experiments will be presented on rechargeable aluminum and zinc intercalation electrodes for the first time, revealing insights into their ion intercalation and charge transfer mechanisms. For aluminum or zinc batteries using the thio-Chevrel Mo 6 S 8 and seleno-Chevrel Mo 6 Se 8 as cathode materials, solid-state 27 Al and 67 Zn NMR experiments establish quantitatively the relative populations of intercalated aluminum or zinc cations in different local environments as a function of state-of-charge. For the seleno-chevrel electrodes, solid-state 77 Se NMR experiments reveal the effects of aluminum- and zinc-ion intercalation on the local electronic structures of the Mo 6 Se 8 frameworks. For comparison, aluminum-graphite batteries will also be analyzed, where solid-state 27 Al NMR measurements yield insights into the local environments of monovalent chloroaluminate anions after intercalation into natural graphite. Opportunities and challenges will be discussed regarding the application of NMR spectroscopy to aluminum and zinc battery materials. Overall, the solid-state NMR and electrochemical results pave the way towards a better understanding of material design principles aimed at realizing multivalent intercalation electrodes with enhanced electrochemical properties.

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