电解液研究人员致力于创造性地解决与能源相关的挑战
芝加哥大学的 Amanchukwu 小组使用 TA仪器和沃特世技术为电池和电催化领域的前沿应用设计和合成新型电解液介质开辟新领域。
技术：Waters™ TA Instruments™ Q500 热重分析法，Q2000 差示扫描量热仪，Discovery 混合流变仪（DHR），TAM IV 量热仪
芝加哥大学的电解液研究
芝加哥大学普利兹克分子工程学院的 Amanchukwu 实验室致力于创造性地解决能源相关挑战，尤其是储能和电催化方面。该小组专注于新型固态和液态电解质介质的设计和合成，以及电池和电催化应用中电解质不稳定性和离子迁移现象的研究。
在储能和电催化装置中，电解液是支持离子和分子运输的重要成分。该实验室的科学家们借用化学概念和生物学工具，旨在控制电极的界面现象，即电解液界面，并了解其降解机制。该团队使用核磁共振（NMR）和分子动力学（MD）分别研究离子传输行为和离子溶剂化环境。Amanchukwu 小组还与美国能源部的一个多学科科学和工程研究中心——阿贡国家实验室合作，使用先进的表征工具对能源设备进行现场和操作理解。
Amanchukwu 实验室与 Waters Corporation 子公司 TA仪器的技术合作，正在为电池和电催化领域的前沿应用设计和合成新型电解液介质开辟新领域。
Amanchukwu 博士和他的团队正在突破界限，研究可用于下一代电池的新型小分子、聚合物和混合固态电解质的合成。
与沃特世（ WATERS） 的合作
在详细了解其他研究人员如何在不同应用中使用热分析、流变学和微量热法之后，芝加哥大学 Amanchukwu 实验室首席研究员兼助理教授 Chibueze Amanchukwu 研究了如何将同样的技术应用到新型电解液介质的设计和合成研究中。
Amanchukwu 博士对其他供应商进行了考察，但只有 TA仪器 和 沃特世 才具备其团队实现目标所需的仪器科学专业知识。
他解释说：” 我们在一个全新的应用中使用了这项技术，市场上没有其他合适的仪器。幸运的是，TA仪器 和 沃特世拥有丰富的经验，了解如何帮助我们。我们与 TA仪器 和 沃特世s 团队进行了多次会议和电子邮件交流，他们能够帮助我们。如果我们有任何问题，我们可以与他们沟通，他们会很快回复并提供解决方案。”
” 目前，许多电解液的相关研究工作采用了被称为 ” 西方 “的方法，在这种方法中，你可以混合材料，看看它是否有效。我们正努力使这一过程更为科学。我们希望了解分析电解液属性以及需要准备什么，然后设计出旨在改变属性、并将对电池产生特定影响的电解液。”
-CHIBUEZE AMANCHUKWU博士
芝加哥大学 Amanchukwu 实验室首席研究员兼助理教授
下一代电池的设计
能源密集型和紧凑型电池的可用性，激发了人们对交通运输的电气化以及可再生能源在能源网中的进一步集成的浓厚兴趣。可充电锂离子电池因其最高能量密度而成为当今的首选电池。然而，它们的能量密度和成本目前还不能满足人们对更远程电动汽车和新型电子设备以及碳足迹减少的需求。
许多下一代电池受到电解液选择的限制，这是因为在大多数电解液中通常会观察到高离子电导率与较差的电化学稳定性。为了解决这一问题，芝加哥大学的 Amanchukwu 实验室正在研究高离子电导率和高电化学稳定性的新分子设计，以便合理设计下一代电池。1 实验室的研究重点关注以下主题：
- 新型电解液合成
- 电极：电解液界面表征
- 高能量密度电池
- 选择性和高效电子催化
作为芝加哥大学新任命的助理教授，Amanchukwu 博士正在突破可用于下一代电池的新型小分子、聚合物和混合固态电解质的合成界限，这些电解质可以整合到下一代电池（锂金属、固态电池和多价电池）以及二氧化碳（CO2）电解还原中。 2
实验室的工作致力于研究电解液结构（例如溶剂化）与发生在电极——电解液界面上的电化学反应（期望和非期望）的关联性。通过了解和控制电解介质中的溶剂化效应，Amanchukwu 博士在设计将二氧化碳转化为有价值产品的高选择性和高效电化学反应器方面，处于领先地位。他对这项研究的影响描述如下：
” 电解液往往是电池中被遗忘的部分。理想的电解液应该允许离子来回移动。但在现实系统中，它们往往是电池失效或寿命不如预期的主要原因。我们对电解液并不充分了解。我们正致力于为电解液设计带来更多科学知识。我们正在利用分子设计策略开发电解液，并预测它们在电池中的用途。”
这些预测将包括减少不良寄生反应，这是许多电池化学物质中电化学性能退化的主要原因。
TAM IV 微量热仪系统用于测量通用热信号以及电解液的定量热力学和动力学行为。
实验室的工作致力于研究电解液结构与发生在电极——电解液界面上的电化学反应的关联性。
在为实际应用设计下一代电池时，电极材料与非水性电解液之间的这些副反应是关键因素。
Amanchukwu 博士评论道：” 通常，如果电解液不稳定，则一旦与电池电极接触，就会产生这些不良反应（称为寄生反应）。因此，它们之间存在内在联系。好的电解液能防止这些寄生反应。”
Amanchukwu 博士认为，新设计的电解液和对离子传输和电化学降解的更好理解，将使制造具有高能量密度和更长循环寿命的电池成为可能。这可能会对未来能源密集和紧凑型电池的生产质量以及这些电池的使用方式产生重大影响。他解释说：
” 我认为下一代电池的性能至少可以提高 50%，这使更多应用成为可能。例如，普通民众更容易购买电动汽车。此外，这些电池还将用于更多我们目前还未想到的应用。”
为了实现这些宏大的目标，Amanchukwu 实验室正在从制药业汲取灵感，该行业在十年或二十年前发现了难以想象的新应用。
” 使用 TAM IV 微热量计系统非常令人兴奋。任何其他仪器都不具备这项研究所需的热流灵敏度。我们发现，使用微量热仪可以收集大量信息，而且非常容易使用。然而当我们将它与其他技术相结合时，它为我们提供了更多的研究见解。另一个优点是使用方便，即使对于那些只接受过少量培训或没有接受过培训的人来说，也可以简单快速地掌握仪器。”
– CHIBUEZE AMANCHUKWU博士
芝加哥大学 Amanchukwu 实验室首席研究员兼助理教授
来自生物学的灵感
所有化学和生物过程都与热的产生或消耗有关。Amanchukwu 博士的研究灵感来自于制药业使用技术的方式——在本例中为微量热法——来测量化学过程中放热或吸热的方式。
这激发了使用相同的仪器了解电解液如何在不同的电池化学中相互作用的想法。在众多工具中，Amanchukwu 实验室使用微量热法进行动力学和热力学定量，使用 NMR（固态和液态）进行化学特异性研究。3
Amanchukwu 博士解释道：” 制药和药物开发领域已经在使用此技术来测量蛋白质或药物结合相互作用，或测量细胞行为释放的热量。所以，我开始想知道我们是否可以做同样的事情？由于结合相互作用是普遍的，我们无法确定化学工艺是否用于电池或材料科学。我们积极研究其他行业，了解哪些方面可借鉴，并有助于他们回答感兴趣的问题，然后再看看使用相同的工具是否能帮助我们解决电池、电解液和材料科学领域的类似问题。”
与 Waters 合作，Amanchukwu 实验室的科学家们开始使用 TA 仪器 TAM IV 微量热仪系统，直接测量通用热信号，从而测量电解液的定量热力学和动力学行为。TAM IV 的热流灵敏度和长期温度稳定性使 Amanchukwu 博士及其团队能够测量许多其他技术无法检测到的过程。
其他技术包括拉曼光谱法、红外光谱法和质谱法，均由 Waters 支持。Amanchukwu 博士对测试 TA Instruments 和 Waters 技术的新组合特别感兴趣，他看到了其团队进行前沿电解液研究的可能性。他解释说：
” 微量热法非常神奇，因为它可以让我们进行定量了解，但我们还可以将这项技术与光谱技术相结合，以展示两种官能团之间的相互作用如何导致我们在量热仪中看到的热量释放或热量吸收。这些多模态方法让我们两全其美。”
此外，Amanchukwu 博士还发现了通常在基于生物的研究中使用的高通量筛选工具的潜力，这些工具还可部署用于快速筛选电解液特性。如果没有目前的预算限制，他相信这项先进的技术（也为Waters 制药和生命科学领域客户所熟知和使用）可能会对电解液研究产生重大影响。
” 我们可以使用大学其他部门的仪器，这非常有用。作为一个不断发展的实验室，我们雄心勃勃，希望拥有一台我们自己的 Waters 质谱仪，为我们的实验增加先进的筛选功能。这种筛选方法用于制药行业，其原理是相同的。如果你试图发现一种药物来治疗任何感兴趣的疾病，你可能会尝试数万亿种分子。如何切实可行地处理该任务？这与我们在电池领域面临的挑战相同。”
– CHIBUEZE AMANCHUKWU博士
芝加哥大学 Amanchukwu 实验室首席研究员兼助理教授
数据科学
Amanchukwu 博士及其团队还看到了人工智能（AI）和机器学习（ML）工具的潜力，这些工具可为下一代电池的电解液化合物提供新的想法，还能研究 CO2 电催化的新溶剂化行为。
通过与数据科学和计算专家合作，该团队计划使用自然语言处理（NLP）工具来开发实验测量电解液属性的数据库。建立 ML 模型，可以将可获得的电解液特征（例如分子结构）与电导率和稳定性等特性相关联。4
Amanchukwu 博士解释道：
” 我们现在所做的就是更多手动操作。这就是为什么我们对数据科学如何影响这项研究感兴趣。也许你研究电解液数十年，却没有任何成功；也许你可以使用数据科学的方法来筛选缩小可以在实验室中进行研究的可能性“。
Amanchukwu 博士从制药业利用微量热法测量化学过程的放热与吸热的方法中汲取了研究灵感。
图 1.数据科学最终可以用来预测电解液在电池化学中的行为，从而更好地了解热分布。
” 我们知道我们可以生产毫克级的电解液，但我们可以生产克级和千克级吗？我们工作中激动人心的部分是与公司交流，让他们对我们生产的化合物感兴趣。如果我们能够证明它们有效并且有用，那么这些公司就可以扩大规模，并在制造过程中使用它们。”
– CHIBUEZE AMANCHUKWU博士
芝加哥大学 Amanchukwu 实验室首席研究员兼助理教授
实际应用
能源密集型和紧凑型电池的潜力引起了其他各方的兴趣，特别是在解决与气候变化相关的社会问题方面。Amanchukwu 实验室的研究对下一代电池的设计有着重大影响。该小组有兴趣与阿贡国家实验室合作，制备中试量的电解液，私营公司可以扩大其生产规模以用于电池制造。
Amanchukwu 实验室研究的实际应用范围广泛，该小组最终计划与芝加哥大学的 Polsky 创业和创新中心合作，以求找到对其进一步研究结果感兴趣的公司。
” 我们与 Polsky 中心携手开发了一些新型化合物。我喜欢研究电解液的其中原因是，它确实可以从学术成果转化为商业应用。对于液体电解质，它不要求制造能力的任何改变，仅需将目前在其电池中使用的液体替换成我们的新型液体电解质。”
– CHIBUEZE AMANCHUKWU博士
芝加哥大学 Amanchukwu 实验室首席研究员兼助理教授
后续步骤
作为一个新成立的实验室，Amanchukwu 小组着眼于其研究的长期潜力。Amanchukwu 博士认为，该实验室将在大约五年左右的时间内实现其目标，利用新型电解液设计策略，开发下一代高能量电池。然而，他还希望开发一种方法来预测电解液在测试之前的行为，并提供关于化合物为何会有这样行为的深刻见解。他描述了这样一种可能性：5
” 我们的其中一个想法是创造模块化的新型电解质化合物。因此，如果有三个构建块的话，我就可以根据化学需求转换这些构建块。这种模块化的方法令人兴奋，因为它不仅为我们提供了广泛的学习材料，还能让我们随时适应变化。当新的电池化学被创造出来，并且我们知道它需要特定的功能时，我们可以通过排列这些模块和改变它们彼此的附接方式，从而在新分子设计中进行混合匹配。
然而，更具前瞻的是 Amanchukwu 实验室的前沿研究如何影响能源的生产、输送和消耗方式。例如，电池寿命的提高会对气候变化、社会和自然资源产生长期影响，这可能导致影响健康、基础设施和运输系统以及能源供应的改进等。
” 从工程角度来看，如何设计我们的项目无疑是一个考虑因素。我们还得时刻想着如何扩展规模来真正解决社会挑战。最后，我们正在尝试创造性地解决能源相关挑战，以便解决与气候变化相关的问题。”
– CHIBUEZE AMANCHUKWU博士
芝加哥大学 Amanchukwu 实验室首席研究员兼助理教授
参考文献
- Amanchukwu, C.V.; Yu, Z.; Kong, X.; Qin, J.; Cui, Y.; Bao, Z. A New Class of Ionically Conducting Fluorinated Ether Electrolytes with High Electrochemical Stability. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16, 7393–7403.
- Yu, Z.; Wang, H.; Kong, X. et al. Molecular Design for Electrolyte Solvents Enabling Energy-dense and Long-cycling Lithium metal Batteries. Nat. Energy. 2020, 5, 526–533. https://doi.org/10.1038/s41560-020-0634-5.
- Gunnarsdóttir, A.B.; Amanchukwu, C.V.; Menkin, S.; Grey, C.P. Noninvasive In Situ NMR Study of “Dead Lithium” Formation and Lithium Corrosion in Full-Cell Lithium Metal Batteries. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 49, 20814–20827.
- Amanchukwu, C.V. The Electrolyte Frontier: A Manifesto. Joule, 2020, 4, 1–5.
- Ma, P.; Mirmira, P.; Amanchukwu, C.V. Effect of Building Block Connectivity and Ion Solvation on Electrochemical Stability and Ionic Conductivity in Novel Fluoroether Electrolytes. ACS Central Science 2021 7 (7), 1232–1244.