锂电池与电子顺磁共振作为一种新的研究工具

图1所示。锂离子电池。图片来源:Vitaliy Hrabar/Shutterstock.com

锂离子电池在当今技术中无处不在，目前大量研究旨在提高其性能（亮度和能量密度），特别是通过确定哪些材料将形成“完美”电极材料。亚博网站下载¹

目前商业锂电池的阳极通常由石墨碳制成，因为它是一种轻且低成本的材料，提供了约370 mAh/g(每克毫安小时)的可接受比容量(SC)。^1，2

寻找最有效的阳极的推移,建议从阳极的碳纳米管可以通过实现一个三重当前性能SC 1000 mAh / g,硅的能量密度4200 mAh / g,最近和金属锂,锂电池的能量密度提高了400%。^3、4、5

许多负极材料都有需要解决的困难，例如硅会亚博网站下载与锂电解质发生反应，从而导致电池结构的不稳定性。此外，像锂这样的金属阳极也会产生被称为树枝晶的不规则结构，这是在长时间使用电池期间生长的结晶金属结构，会破坏阳极。

然而在2014年，斯坦福大学的研究人员⁶使用相互连接的碳圆顶（纳米球）保护层生产纯锂阳极，该保护层在充电过程中不会膨胀并形成树枝晶。

锂氧电池

电池研究的一个最令人兴奋的领域涉及锂氧电池,远离传统的锂的方法,使用锂在阳极氧化和还原的氧阴极控制金属催化剂如钌和锰电池存储过程。⁷

锂空气电池理论上可以达到3840毫安时/克(类似于传统汽油)的能量密度，在汽车电池领域具有很大潜力。⁸然而，由于开发这些电池涉及复杂的氧化电化学，新的分析方法，如电子顺磁共振(EPR)必须被采用，以帮助理解氧化过程。

电子顺磁共振波谱

EPR或电子自旋共振（ESR）光谱⁹是研究未配对电子材料的一种有用的分析技术。亚博网站下载与核磁共振(NMR)原理相似，EPR允许研究在强大磁场中微波激发的未配对电子自旋的能级。

EPR在研究存在未配对电子的金属配合物或有机自由基方面表现出特别的有效性。电池研究是EPR相对较新的领域，但其可靠性已在电池系统充放电循环中形成的锂枝晶的研究中得到证实(在operando)实验。¹⁰

EPR提供了一种有效的方法来定位和分析操作期间阳极和阴极表面上的“电子”相关现象，并与扫描电子显微镜（SEM）结合，可以实时观察氧化还原过程。

EPR成像和仪器

法国的一个研究小组使用布鲁克ELEXSYS EPR仪表最近将EPR作为电池研究的进一步阶段¹¹并开发了一种EPR成像程序。这意味着发生在电极表面的氧化过程涉及过氧化物和过氧化物(0₂^-n)可以在分析过程中以类似于磁共振成像（MRI）的方式首次可视化。

该小组使用了布鲁克ELEXSYS E580光谱仪，配有专门设计的微波兼容电化学电池和Li₂俄文_０．７５Sn_0．25O_3.电极，监测氧化还原循环过程中自由基氧的形成和消失。

目前原位或在operandoEPRI仍处于开发的早期阶段，可以从更高的分辨率中获益。目前，提高EPR成像分辨率的方法是将梯度强度提高到1Tcm^-1此外，还通过使用具有更高B1场的EPR微谐振器来提高灵敏度和分辨率。

与这些改进在operandoEPRI将成为电池电极表征的强大分析工具，提供有关阴离子和阳离子网络中氧化还原过程的独特信息。

EPRI现在可以提供一系列系统中氧化还原物种动力学的研究手段，如富锂镍钼钴（NMC）电极、锂空气、锂硫和锂有机电池以及过氧化物/超氧物、多硫化物或自由基阴离子。

力量的仪器

该ELEXSYS E 580是一种高灵敏度的EPR仪器，允许傅立叶变换脉冲EPR数据采集，可以成功地用于成像顺磁物种的氧化还原过程在微米分辨率。

图2。PatternJet-II通道。图片来源:布鲁克公司

工具书类

1. 李建平，李建平，李建平，李建平，锂离子电池加工成本的研究进展，材料科学与工程，2015年2月1日。
2. Liu, T . et. al.，“通过LiOH的形成和分解循环Li-O2电池”。“科亚博老虎机网登录学(2015)。DOI: 10.1126 亚博老虎机网登录/ science.aac7730。
3. 听着p.p.r.m.l.， Mulder f.m.， Notten p.h.l.，原位锂离子电池研究方法：最新发展回顾，《电源杂志》，第288卷，2015年8月15日，第92-105页。
4. 李志强，李志强，锂离子电池的研究现状与展望，电力技术，vol . 19, no . 1, no . 1, 2010。
5. 6 .高锐帕利亚，马丽丽，德Angelisa F.， Di Fabrizioc E.， Zaccariaa R.P.， Capigliaa C.，锂离子电池纳米负极材料的研究进展，电源学报，第257卷，2014年7月1日，421-443页。亚博网站下载
6. 郑刚，李世文，梁铮，李华文。关键词:碳纳米管，锂离子电池，锂离子电池，锂离子电池引用本文
7. Badwal s.p. S, Giddey s.s.， Munnings C.， Bhatt A. I.， Hollenkamp A.F.，(2014年9月24日)。新兴的电化学能量转换和存储技术。化学前沿2。doi: 10.3389 / fchem.2014.00079。
8. 刘婷婷，李志强，王志强，周磊，杨晓东，(2015)。“通过LiOH的生成和分解循环Li-O2电池”。亚博老虎机网登录中国科学(d辑:地球科学)doi: 10.1126亚博老虎机网登录 / science.aac7730。ISSN 0036 - 8075。PMID 26516278。
9. 刘志强，刘志强，刘志强，刘志强，ESR光谱学的研究进展，光谱学与光谱分析，2011,vol . 32, no . 1, pp . 369 - 372。
10. wang J.， wang J.， wang J.， et al.， 2015.， Operando电子顺磁共振波谱-锂阳极在充放电循环中苔藓锂的形成。能源环境。科学。, 1358年8。
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这些信息来源于Bruker BioSpin - NMR、EPR和Imaging提供的材料。亚博网站下载

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