利用磁共振（MR）技术了解锂离子电池的结构和行为

锂离子电池是当今世界上应用最广泛的可充电电池化学材料，为我们日常依赖的设备（如手机和电动汽车）提供动力。当一个或多个锂离子电池单元被安装进一个带有保护电路板的设备中时，它们就被称为电池。这些电池的重要性怎么强调都不为过，因为锂离子电池市场预计将从 2017 年的 300 亿美元增长到 2025 年的 1000 亿美元¹。此外，全球对锂离子电池的需求预计将在 2022 年至 2030 年间增长近七倍，到 2030 年达到 4.7 太瓦时，这主要是由于电动汽车的日益普及²。

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尽管电池是一种日常用品，但它却是由多个部件组成的复杂电化学系统。

虽然锂离子电池已被证明是许多设备可靠而高效的电源，但它们也有自己的挑战和局限性。

• 昂贵的材料导致制造成本居高不下
• SEI 层的形成和反复充电导致性能随时间下降
• 对高温敏感，可能导致热失控和安全问题

为了应对这些挑战，有必要了解电池中化学过程的细节，以便开发新的方法来克服这些限制。核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR）是这方面的有力工具，可帮助研究人员开发新材料和新技术，提高锂离子电池的性能和安全性。这些进步可以提高电池的能量密度、使用寿命和安全性，使其在各种应用中更加高效可靠。

核磁共振 (NMR) 和电子顺磁共振 (EPR) 等磁共振技术为研究电池组件的内部结构和化学成分提供了一种非侵入式方法。

原位EPR和EPR成像方法特别适用于研究电池充电和放电过程中可能形成的块状和树枝状锂沉积物。这些沉积物会导致电池短路，从而降低电池的使用寿命和安全性。EPR还可用于研究 Na 电池中 Cr 离子的溶解，这可能会导致电池降解。此外，EPR还可以检测和监测新阴极材料中的氧物种，如分子氧和单线态氧，从而深入了解它们的行为。

研究锂离子电池的电化学反应机制和电极结构变化的一种新方法是将EPR与NMR结合使用。通过这种方法，研究人员可以将电池组件化学成分和结构的变化与其电化学特性的变化联系起来。这些信息可用于开发性能更好、寿命更长的新型电极材料。

近年来，核磁共振（NMR）技术领域中的一项特定技术已经出现，成为研究电池的新标准。这项技术涉及在核磁共振（NMR）仪器实验过程中，将传统的固态核磁共振实验与电池的充放电相结合。利用这种组合，可以收集到独特的信息，如特定电池芯内的锂转移机制或相应电池的老化过程。这种应用在文献中通常被称为原位固体核磁共振，在电池研究领域已显示出良好的效果。

要充分发挥这种新方法的潜力，最好辅以一整套可用的“传统”固体核磁共振实验。这可能包括对电池单个组件的简单静态研究，也可能包括更复杂的技术，如快速魔角旋转，它可以识别电池中电池组件的各种结构特征。用于这些实验的传统NMR活性核通常是 1H/ 13C/ 7Li，通常使用 90° 激发脉冲来激发这些核。

检测锂离子电池中的各种化学物质可能具有挑战性，特别是由于核磁共振峰的频率范围较宽和探头射频方面的挑战。不过，如图 1 所示，专门的硬件可用于塑料电池，以有组织和直接的方式测量这些成分。通过分析这些实验室规模电池的数据，研究人员可以提取有关电池充电和放电过程中化学过程和物种形成的宝贵信息。这些数据集可用于研究电池内部的枝晶形成和结构变化等重要问题。最后，如图 2 所示，ePROBE 的“Ecat”等软件工具可用于有效组合这些数据集。核磁共振和电化学数据与时间戳一致，并绘制成详细图和/或概览图，用户界面友好，直观明了，既能快速筛选结果，又能详细解读数据，便于讨论和演示。