Bruker布鲁克台式顺磁共振谱仪ESR5000在锂电池领域的应用

全球能源体系正在经历一场根本性的变革。为进一步降低对化石燃料的依赖，全球各地正在呼吁以更多样化的电力解决方案来满足人类的能源需求。例如，电池可将化学能转化为电能，并将所有或大部分反应物储存在电池内。

与其他类型的电池相比，锂离子电池的工作电压和容量较高，是便携式电子设备中迅猛发展的重要组件。过去几十年，为高功率和高密度电池寻找新型电极和电解质材料，是材料化学领域普遍研究的主题之一。

◇  一些顺磁性缺陷⸺例如，缺陷、杂质、无定形成分、瑕疵、化学计量变化域，会影响电池的电化学储能性能。因此，防止金属锂不均匀沉积，对于避免内部短路非常重要。

◇  阴极材料（LiMO2，其中M = Co、Ni、Mn、V、Fe）中存在的过渡金属离子决定了电池的工作电压，并且会对阴极材料的电化学特性产生明显影响。这些事实表明，研究阴极材料中的过渡金属离子及其局部环境对于评估电极性能至关重要。

◇  电解质溶液在电极上的许多分解机制中都会形成活性中间体自由基，这是电池发生自放电的主要原因之一。

图1通过工况原位EPR，检测多种不同形态的锂。枝状锂的峰-峰线宽较小，约0.005 mT（绿色），呈现洛伦兹线型。藓状锂的峰-峰线宽增至0.03 mT（蓝色）。

块状锂的峰-峰线宽较大，达到约0.15 mT（红色），呈现戴森线型。插图：电池充电14小时期间的锂EPR信号图。

新型锂离子电池开发面临的挑战主要包括：

◇  因自旋缺陷导致功率衰减，使得电池容量较低

◇  自由基降解反应（主要发生在电池充电过程中）造成可逆性差，并且其具体机制尚不明确。

EPR解决方案：

◇  对影响电池容量和性能的自旋缺陷和晶格缺陷进行检测和量化。

◇  直接监测与电极接触的电解质溶液的自由基反应。

◇  评估自由基形成与衰变速率，以研究储能过程中的自放电和容量衰减情形。

电池老化、功率下降和容量衰减源于多种复杂机制，这些机制通常涉及过渡金属离子和自由基。

我们可通过EPR波谱，对其表面化学反应、相变和结构变化进行无损监测和研究。