鋰離子電池以其高能量密度、輕質(zhì)以及充分的充電循環(huán)成為現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備的支柱。由于為電動汽車供電、在地方電網(wǎng)中使用大容量電池進(jìn)行負(fù)載均衡等新需求，改進(jìn)電池存儲已成為不斷尋求性能進(jìn)步的研究增長領(lǐng)域。

鋰離子電池以其高能量密度、輕質(zhì)以及充分的充電循環(huán)成為現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備的支柱。由于為電動汽車供電、在地方電網(wǎng)中使用大容量電池進(jìn)行負(fù)載均衡等新需求，改進(jìn)電池存儲已成為不斷尋求性能進(jìn)步的研究增長領(lǐng)域。

現(xiàn)在，電子順磁共振（EPR）波譜第一次可用于在電池進(jìn)行充放電循環(huán)時（在運(yùn)行中），對電極實(shí)際表面發(fā)生的氧化還原過程實(shí)時成像。

EPR或電子自旋共振（ESR）波譜是一種著名的波譜技術(shù)，可用于研究強(qiáng)磁場中微波激發(fā)的未成對電子自旋。1原則上類似于核磁共振（NMR），EPR對于研究涉及存在未配對電子的金屬復(fù)合體或有機(jī)基團(tuán)的系統(tǒng)特別有用。

通過將EPR進(jìn)一步推進(jìn)到成像中，類似于磁共振成像（MRI），已為電化學(xué)領(lǐng)域提供了一種強(qiáng)有力的技術(shù)，可用于表征在電池的氧化還原循環(huán)期間自由基氧物質(zhì)的形成和消失。

在室溫條件下，使用Bruker ELEXSYS E580波譜儀，記錄下閉合電路中的微波兼容電化學(xué)電池在采集期間的EPR波譜。利用Flexline諧振器獲得的更高的脈沖EPR數(shù)據(jù)采集速度和精度，提供了一個可實(shí)現(xiàn)具有適當(dāng)?shù)?、微米級分辨率?/span>EPR成像（EPRI）平臺。

現(xiàn)在，EPRI提供了研究新一代高容量電極材料的機(jī)會，并最終能夠以類似于利用掃描電子顯微鏡（SEM）實(shí)現(xiàn)原子可視化的方式，實(shí)現(xiàn)電子密度可視化，而SEM最近已結(jié)合常規(guī)EPR被用于檢查運(yùn)行中的鋰電極。2

在《自然》上最近的一篇文章中，概述了利用創(chuàng)新的運(yùn)行中EPR成像波譜法對一種鋰離子電化學(xué)電池進(jìn)行的研究，該電池使用Li2Ru.0.75Sn0.25O3，高容量富鋰層氧化物作為正極。

Ru5+和順磁氧物質(zhì)的運(yùn)行中EPR信號顯示了超氧化/過氧 (O2)n- 離子可逆形成的有力證據(jù)，它賦予系統(tǒng)以高容量。此外，利用EPRI，實(shí)現(xiàn)了對鋰在負(fù)極和成核區(qū)的沉積/溶出、以及Ru5+／氧物質(zhì)在正極上的生長的微米級分辨率的可視化。

原位EPRI仍在發(fā)展，但到目前為止仍缺乏較高的分辨率，不過，正通過兩條途徑以尋求提高靈敏度和分辨率，（1）梯度強(qiáng)度急劇增強(qiáng)到1Tcm-1；或者（2）使用具有更高B1場的EPR微諧振器，這將需要專門設(shè)計(jì)的微電池供實(shí)驗(yàn)。

EPRI的新領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)大量令人興奮的實(shí)驗(yàn)，以研究新電池中的氧化還原物質(zhì)的動力學(xué)特性與電流率、電位、靜止時間、電解質(zhì)或溫度的函數(shù)關(guān)系，這將促進(jìn)新型高效電池設(shè)計(jì)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

· Lund, A.、Shiotani, M.、Shimida, S.；“ESR波譜的原理和應(yīng)用”；2011；Springer；紐約。

· Wandt J.、Marino C.、Gasteiger H.A.等；“運(yùn)行中電子順磁共振波譜——在充放電循環(huán)過程中在鋰陽極上形成苔蘚鋰”；2015；Energy Environ. Sci.；8, 1358。

· Sathiya M.、Leriche J.-B.、Salager E.、Gourier D.、Tarascon J.-M.、Vezin H.；“用于實(shí)時監(jiān)測鋰離子電池的電子順磁共振成像”；2015；Nature Comm.；6:6276 [DOI: 10.1038/ncomms7276]