Litiumjonbatterier (LIB) är viktiga komponenter i dagens teknologi och används för att driva en mängd olika elektroniska system, allt från datorer och mobiltelefoner till bilar och flygplan. Eftersom efterfrågan på effektiv energilagring fortsätter att växa finns ett fortsatt behov för forskning och utveckling inom området. Denna rapport undersöker hårt kol, ett lovande material för anoder i litiumjonbatterier och andra alkali-jon batterier.

I likhet med grafit är hårt kol ett kolbaserat material som inte är en väldefinierad allotropp utan en komplex blandning med avseende på både hybridiseringstillstånd och långdistansordning.  Därför är den mycket dåligt definierat. Ändå är hårt kol ett önskvärt material eftersom det kan produceras från förnybara resurser samt på grund av dess kompatibilitet med natrium, vilket möjliggör natriumjonbatterier. I den här studien har elektroder av hårt kol syntetiserats och litierats i olika grader och sedan studerats med ⁷Li NMR-spektroskopi där både spektra och longitudinella relaxationshastigheter mättes.

Vid lägre litieringsnivåer observerades tydliga smala ⁷Li toppar inom intervallet 4-16 ppm, vilket indikerar förekomsten av joniskt litium. Vid högre litieringsnivåer framträdde en bred topp vid 61 ppm. Utseendet av denna topp, tillsammans med en hög Knight-skift, indikerar närvaron av kvasi-metalliskt litium. Det är värt att notera att detta kvasi-metalliska litium finns i de oordnade och porösa områdena hos hård kol.

⁷Li longitudinella relaxationshastigheter, som rapporterar om jonisk dynamik, registrerades vid olika temperaturer och från det observerade temperaturberoendet beräknades den genomsnittliga aktiveringsenergin för de involverade joniska rörelserna. Intressant nog visade sig denna aktiveringsenergi vara lägre jämfört med den i PAN-baserade kolfibrer och grafit, som båda uppvisar en högre grad av ordning. Denna observation tyder på ett samband mellan lokal oordning och snabbare jondynamik.

Lithium-ion batteries (LIB) are vital components of modern technology, powering a wide range of devices from computers and cell phones to cars and aeroplanes. As the demand for efficient energy storage continues to grow, research and development in the field of lithium-ion batteries remain active. This report focuses on the investigation of hard carbon, a promising anode material for lithium-ion batteries and other alkali-ion batteries.

Akin to graphite, hard carbon is a carbon-based material that is not a well-defined allotrope but a complex mixture with regard to both hybridization state and long-range order. Hence it is very poorly defined. Yet, hard carbon is a desirable material as it can be produced from renewable resources and because of its compatibility with sodium, allowing for sodium-ion batteries. In this study, hard carbon electrodes were synthesised and lithiated to various degrees and then studied with ⁷Li NMR spectroscopy where both spectra and longitudinal relaxation rates were measured.  

At lower lithiation levels, distinct narrow ⁷Li peaks were observed within the 4-16 ppm range, indicating the presence of ionic lithium. At higher lithiation levels a broad peak at 61 ppm emerged. The appearance of this peak, along with a high Knight shift, signifies the presence of quasi-metallic lithium, presumably in the more disordered and more porous regions of hard carbon.

The ⁷Li longitudinal relaxation rates, reporting on ionic dynamics, were recorded at different temperature and from the observed temperature dependence the average activation energy for the involved ionic motions was calculated. Interestingly, this activation energy was found to be lower compared to that for PAN-based carbon fibres and graphite, both of which exhibit a higher degree of order. This observation suggests a correlation between local disorder and faster ion dynamics.