【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電極顆粒是電池最小的功能單元，它們的工作狀態(tài)及均一性顯著影響電池性能。對(duì)納米微區(qū)的活性物質(zhì)進(jìn)行原位傳感是理解其反應(yīng)機(jī)制，探究失效機(jī)理，發(fā)展延壽技術(shù)以及預(yù)測(cè)電池壽命的關(guān)鍵步驟。然而，由于缺乏具有足夠空間分辨率及靈敏度，且非破壞性的實(shí)時(shí)、原位傳感手段，監(jiān)測(cè)納米微區(qū)電化學(xué)演化仍是極其挑戰(zhàn)的。
 

　　基于此，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心的索鎏敏研究員團(tuán)隊(duì)與劉剛欽研究員、鄭慧婕副研究員團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種基于金剛石量子傳感的電池內(nèi)原位監(jiān)測(cè)、無(wú)損表征方法，設(shè)計(jì)了原位納米微區(qū)量子探測(cè)-電池一體化方案，利用金剛石NV色心亞微米級(jí)空間分辨率以及其對(duì)磁場(chǎng)變化的高敏感性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池活性物質(zhì)物性納米微區(qū)原位探測(cè)，基于多線程傳感實(shí)現(xiàn)了高分辨電極內(nèi)磁場(chǎng)的分布探測(cè)。
 

　　團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)Fe3O4電極上微區(qū)磁場(chǎng)的原位測(cè)量演示了該方案的可行性。該實(shí)驗(yàn)以微米金剛石中集群NV色心為量子傳感探針，系統(tǒng)表征了Fe3O4放電還原到FeO以及Fe的相變過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電極上活性物質(zhì)并非同步發(fā)生相變，區(qū)域間存在明顯的微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差異。同時(shí)，利用NV色心的對(duì)磁信號(hào)的靈敏響應(yīng)，確定了反應(yīng)最終產(chǎn)物(Fe納米顆粒)處于超順磁態(tài)。基于多線程測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)了極片尺度磁場(chǎng)和溫度分布的測(cè)試，展示了由電極結(jié)構(gòu)中活性物質(zhì)、碳導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和粘結(jié)劑的多樣性帶來(lái)的磁場(chǎng)和熱導(dǎo)率的顯著分布差異。這些結(jié)果展示了金剛石量子傳感在微區(qū)電化學(xué)研究方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
 

　　本工作受到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院、北京市自然科學(xué)基金、北京清潔能源前沿研究中心，懷柔清潔能源材料測(cè)試診斷與研發(fā)平臺(tái)的大力支持。文章通訊作者為索鎏敏研究員、劉剛欽研究員、鄭慧婕副研究員，第一作者為劉秉航、陳修齊。該工作以“Operando Quantum Sensing Captures the Nanoscale Electrochemical Evolution in Battery”為題目，發(fā)表在Cell Press旗下期刊Device上(10.1016/j.device.2024.100521)。
 

　　圖1. 基于金剛石NV色心的電池原位量子傳感示意圖。(A)不同電池表征手段的空間分辨能力。傳感手段以探測(cè)區(qū)域的大小(以平均貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)的顆粒數(shù)進(jìn)行區(qū)分)和表征物理量分類。(B)原位電池裝置示意圖。(C)金剛石NV色心測(cè)試磁場(chǎng)和溫度的原理。(D)電池放電曲線和P0點(diǎn)磁場(chǎng)變化曲線。電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程被分為了三個(gè)部分：(Fe3O4→ FeO → Fe)。(E)放電后的Fe3O4電極TEM照片；(F)放電結(jié)束撤去外加磁場(chǎng)后，P0點(diǎn)處的ODMR譜。