Bruker布魯克臺式順磁共振譜儀ESR5000在鋰電池領(lǐng)域的應用

全球能源體系正在經(jīng)歷一場(chǎng)根本性的變革。為進(jìn)一步降低對化石燃料的依賴(lài)，全球各地正在呼吁以更多樣化的電力解決方案來(lái)滿(mǎn)足人類(lèi)的能源需求。例如，電池可將化學(xué)能轉化為電能，并將所有或大部分反應物儲存在電池內。

與其他類(lèi)型的電池相比，鋰離子電池的工作電壓和容量較高，是便攜式電子設備中迅猛發(fā)展的重要組件。過(guò)去幾十年，為高功率和高密度電池尋找新型電極和電解質(zhì)材料，是材料化學(xué)領(lǐng)域普遍研究的主題之一。

◇  一些順磁性缺陷?例如，缺陷、雜質(zhì)、無(wú)定形成分、瑕疵、化學(xué)計量變化域，會(huì )影響電池的電化學(xué)儲能性能。因此，防止金屬鋰不均勻沉積，對于避免內部短路非常重要。

◇  陰極材料（LiMO2，其中M = Co、Ni、Mn、V、Fe）中存在的過(guò)渡金屬離子決定了電池的工作電壓，并且會(huì )對陰極材料的電化學(xué)特性產(chǎn)生明顯影響。這些事實(shí)表明，研究陰極材料中的過(guò)渡金屬離子及其局部環(huán)境對于評估電極性能至關(guān)重要。

◇  電解質(zhì)溶液在電極上的許多分解機制中都會(huì )形成活性中間體自由基，這是電池發(fā)生自放電的主要原因之一。

圖1通過(guò)工況原位EPR，檢測多種不同形態(tài)的鋰。枝狀鋰的峰-峰線(xiàn)寬較小，約0.005 mT（綠色），呈現洛倫茲線(xiàn)型。蘚狀鋰的峰-峰線(xiàn)寬增至0.03 mT（藍色）。

塊狀鋰的峰-峰線(xiàn)寬較大，達到約0.15 mT（紅色），呈現戴森線(xiàn)型。插圖：電池充電14小時(shí)期間的鋰EPR信號圖。

新型鋰離子電池開(kāi)發(fā)面臨的挑戰主要包括：

◇  因自旋缺陷導致功率衰減，使得電池容量較低

◇  自由基降解反應（主要發(fā)生在電池充電過(guò)程中）造成可逆性差，并且其具體機制尚不明確。

EPR解決方案：

◇  對影響電池容量和性能的自旋缺陷和晶格缺陷進(jìn)行檢測和量化。

◇  直接監測與電極接觸的電解質(zhì)溶液的自由基反應。

◇  評估自由基形成與衰變速率，以研究?jì)δ苓^(guò)程中的自放電和容量衰減情形。

電池老化、功率下降和容量衰減源于多種復雜機制，這些機制通常涉及過(guò)渡金屬離子和自由基。

我們可通過(guò)EPR波譜，對其表面化學(xué)反應、相變和結構變化進(jìn)行無(wú)損監測和研究。