利用磁共振技术推进电池研究与制造
简介
开发更优质的电池需要真正的化学洞察力。只有深入理解其底层的化学和电化学过程，我们才能设计出充电更快、储能更多、使用寿命更长的系统。
布鲁克的磁共振产品组合涵盖核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR），能够从分子层面深入解析驱动电池性能和失效的关键机制：结构、离子动力学、氧化还原过程、表面反应、SEI 形成以及退化路径。
无论您是致力于研发新一代材料，还是致力于改进现有系统，磁共振技术都能揭示其他技术无法获取的信息。预约现场或远程 DEMO，了解我们的专家如何从样品制备到数据解读全程支持您的研究；或联系我们以获取更多信息。
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电池研究与制造中的磁共振应用
研究人员如何利用磁共振的力量推动电池创新呢？
对储能领域前沿科学家的采访揭示了 NMR 和 EPR 如何帮助他们开发出更稳定、更高效、更耐用的新型电极材料。随着储能技术的不断发展，磁共振仍将是帮助研究人员了解电池材料特性和开发新型先进储能材料的重要工具。探索磁共振在电池研究中的一些出色的实例吧！
电极材料的结构分析
表征电极材料需要能够解析晶体相和无序相中结构、缺陷及反应活性的技术。虽然 XRD 在识别晶体相和长程有序方面表现出色，但磁共振技术则能与其互补：它不仅能揭示衍射技术无法观测的短程结构细节，还能为无序或部分非晶态体系提供关键见解。
用于顺磁性材料研究的高分辨率固体核磁共振
布鲁克的 Avance Neo-X 200 MHz 核磁共振系统是研究顺磁性材料的理想固体核磁共振平台，在分辨率和灵敏度之间实现了最佳平衡。它使全球的电池研究人员能够获取电极材料的详细结构和动态信息，包括离子配位、离子迁移率、循环过程中的相变以及降解产物的形成。
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用于氧化还原和缺陷分析的电子顺磁共振（EPR）
EPR 通过探测未配对电子进一步拓展了这一研究视野，能够直接观测过渡金属的氧化还原态、顺磁中心以及缺陷化学，而仅靠核磁共振（NMR）或衍射技术则无法分辨这些现象。使用布鲁克 Magnettech ESR5000 台式 EPR 波谱仪即可轻松实现这一目标；若需要在氦气温度下进行测量，则可选用落地式连续波（CW）EPR 系统。
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液体电解液的结构与组成
磁共振技术已成为研究电池电解液化学结构、组成及反应活性的重要工具。这些技术能够检测与降解、老化及安全关键反应相关的细微变化，为全球学术界和工业界的研究提供支持。
利用高分辨率液体核磁共振研究电解液
液体核磁共振（NMR）可提供准确表征电解液化学性质所需的原子级分辨率。NMR 的一大关键优势在于其能够选择性地研究单个核，从而对复杂液体配方中的特定化学环境进行针对性分析。像布鲁克 Fourier 80 这样的台式仪器非常适合常规表征，而当需要更深入的理解时，高场系统（400 MHz 及以上）则能提供更高的分辨率和灵敏度。这些平台共同支持溶剂、添加剂、杂质和降解产物的鉴定与定量，以及对原始、循环或回收电解液中成分变化的监测。
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利用电子顺磁共振（EPR）技术揭示材料降解机制
在电池电解液领域，布鲁克的 EPR 波谱仪能够检测参与电解液降解和界面反应的自由基中间体及过渡金属离子。这一能力为氧化还原过程、电极和电解液的稳定性以及与安全相关的降解途径提供了直接的机理见解。无论是使用我们用于标准条件下的紧凑型台式系统，还是使用用于低温下进行高级测量的高性能落地式连续波（CW）EPR仪器，均可轻松实现上述检测。
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未循环电解液（碳酸丙烯酯中的 LiClO4，黑色）以及含有 LiMn2O4 和锂金属的电池循环后电解液的 CW-EPR 谱图（红色）。利用 CW-EPR 观察阴极-电解液界面处的降解现象，即 LiMn2O4 中锰向电解液的溶解。
D. Huang et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 11930-11939
流动性与扩散
为了优化整个电池单元的性能，优化电解液中离子的迁移率至关重要。多核核磁共振扩散是一种研究离子迁移率、电解质中溶解盐的溶剂化以及电解质化学结构的强大技术。核磁共振扩散可用于表征新开发的电解质的性质，以了解电解质化学成分的变化如何影响离子迁移率；也可用于分析从循环电池中提取的电解质，以了解循环过程如何影响电解质的性质。
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原位及在线测量
固体核磁共振（ssNMR）
原位和在线固核磁共振技术对于观测工作条件下产生的亚稳态和短寿命相非常有用。这些技术还能在循环过程中对金属结构进行详细监测，从而为影响电池性能、安全性和使用寿命的因素提供关键见解。布鲁克与电池分析技术解决方案合作伙伴 ePROBE 合作，提供种类齐全的原位核磁共振探头产品组合。这些探头涵盖圆柱形、硬币形和软包电池等多种格式，可支持广泛的电池化学体系和实验条件。
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微成像
核磁共振是一种独特的技术，不仅能够监测完整电池内部的化学变化，还能定位这些变化的具体位置。具体而言，磁共振微成像能够对电池电极和电解液中的变化进行原位的非侵入性三维可视化和化学表征。布鲁克提供种类繁多的磁共振微成像硬件产品，可支持各种尺寸和化学成分的电池。
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台式流动核磁共振-电子顺磁共振
研究液态氧化还原反应的科研人员可借助原位流动核磁共振（NMR）与电子顺磁共振（EPR）的结合，通过同时采集 NMR 和 EPR 数据，充分发挥这两种技术互补的优势。这种集成方法在研究氧化还原流动电池中的降解、离子动力学和交叉反应方面尤为有效，并可扩展至其他电化学反应机制，例如氨合成、CO₂还原和木质素氧化。
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失效分析与衰减机制
核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR）技术能够用于研究电池老化和充放电循环过程中发生的化学、结构及电化学变化。这些技术可在实际工作条件下，直接揭示电极和电解液中的衰减过程。
其主要功能包括检测和表征：
- 电镀和剥离过程
- 树枝晶的形成与生长
- 电解液分解及相间演变
- 电极材料中的结构和电子不稳定性
无论是原位测量还是失效后分析，都能帮助识别失效路径以及导致性能下降的根本机制。这些洞见有助于更深入地理解电池寿命、安全风险和材料局限性，从而帮助学术研究人员和电池制造商提高电池可靠性、延长使用寿命并优化质量控制策略。
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应用案例
图1
在4.7 T下，不同电荷状态下测得的LixNi0.5Mn1.5O4正极材料的锂核磁共振（7Li NMR）谱图。核磁共振检测到了此前未见的中间物种——这表明，XRD中看似简单的双相转变实际上对应着多种局部环境。
Nahom Enkubahri Asres et al. 2023, J. Mater. Chem. A 11 25612-25625
图2
图3
图4
a) 用于氧化还原液流电池原位研究的耦合核磁共振-电子顺磁共振台式实验装置。
b) 甲基维奥洛根从 MV2+ 还原为 MV+ 的氧化还原反应示意图。含有甲基维奥洛根二氯化物和 4-羟基-(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基)氧基的氧化还原液流电池的原位 1H NMR 谱图、电压曲线及连续波 (CW) EPR 谱图。
Zhao et al. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 4, 1885–1895.
图5
