未来锂离子电池的发展将如何

锂离子电池

由于锂具备高能量密度和高电化学电位，因而使锂离子电池（LIB）成为世界上最受欢迎的选择之一。自20世纪70年代进行开发以来，LIB已经实现了重大的技术创新，索尼公司于1991年推出了第一款可充电式电池。

可充电电池依赖于电化学反应，通过电解质中的离子和电子在阳、阴两个电极间的运动，化学能被转化为电能，反之亦然。

未来锂离子电池的发展将是怎么样的

图1：锂离子电池工作原理示意图

（图注：Charge充电Discharge放电Electrolyte电极Separator隔膜）

在LIB的第一个充电循环中，当锂离子穿过电解质流向阳极时，其中一些会与电解质的降解产物发生反应，在阳极上形成不溶性沉积物。这些沉积物形成固体电解质相间（SEI），防止阳极材料分解，对电池的长期运行至关重要。可传导离子而对电子绝缘的稳定SEI的形成决定了许多性能参数，因此对LIB的研究极具吸引力。

利用NMR研究LIB

NMR技术可以用来研究多种电池体系的详细结构信息（包括电子结构），例如识别中间产物，研究电池材料的动力学特性等等。NMR尤其适合于研究电池材料的重要组成部分碱金属离子的动力学特性。即使在高度无序的体系中也可利用固体NMR来表征LIB材料的局部结构，阐明材料中各种化学物质的信号变换。锂具有两种NMR活性同位素（6Li和7Li），因而可以直接研究锂的动力学特性并对锂离子运动进行定量分析。

NMR技术的发展有助于提高对SEI的认识，使研究人员能从多个方面对SEI膜进行分离和定量鉴定。例如，利用7Li和19F魔角旋转（MAS）NMR技术，可以识别并定量研究再充电LIB阳极与电解质之间的SEI膜中氟化锂（LiF）的变化。1NMR方法也可以对枝晶生长进行监测并做定量分析。循环充放电过程中Li谱峰强度的变化与枝晶组织的生长与金属的平滑沉积有关。研究发现，通过原位NMR可以确定，在Li/LiCoO2电池缓慢充电过程中沉积的锂，高达90%是枝状的。2NMR可用于系统地测试电解质添加剂、先进隔膜、电池压力、温度和电化学循环条件等抑制枝晶生长的方法。3再加上对SEI和新型电池材料的原位定量监测，使NMR为创新LIB的设计发挥了关键的推动用途。

EPR是一种互补性技术？

测量电池运行过程中枝晶的形成颇具挑战，但关于替代性LIB设计和材料的持续研究则是必要的。除NMR之外，EPR波谱也非常适合于原位研究金属锂物种的演化。EPR波谱法也被用于对采用金属锂阳极和LiCoO2阴极的LIB中的沉积锂金属进行半定量检测。

EPR成像技术正被用来研究新电池中自由基氧物质的形成和消失与电流、电位、静息时间、电解质或温度之间的函数关系。

利用MRI获取空间信息

除了光谱学之外，MRI也是一种功能强大的非侵入性技术，可以供应LIB的电解质和电极中所发生变化的时间分辨和定量信息。与NMR类似，MRI能够检测并定位锂的微观结构，还具有供应空间信息的独特优势，从而能定位特定的结构变化。MRI技术在研究新型电池材料和电池设计方面的优势越来越得到认可。其它应用还包括LIB容量衰减研究、大量循环后的电池检测、高应力和加速老化试验。

全固态电池

有关LIB研究的一个最前沿的方向就是从液体电解质到固体电解质的转变。考虑到LIB中发生短路的可能性，液体电解质的易燃性意味着一种安全隐患。多年来，研究人员一直在研究固态电解质来替代液态电解质的使用，这不仅可以提高安全性，还可以为锂金属阳极供应抗枝晶形成的潜力，从而提升能量密度。尽管全固态电池并非一个新概念，但由于其倍率性能和循环性能不佳（可能是由于固体-固体电极-电解质界面上锂离子转移的高内阻），迄今为止其进展一直受到阻碍［4］。5因此，研究界面反应和电荷传输对发挥这些电池的潜力至关重要，而NMR正是这方面的理想选择。

NMR也有助于表征潜在的固体电解质材料，如依赖于离子传输的陶瓷。NMR结合电导率测量可用于分析离子动力学特性，并有助于阐明局部结构与动力学参数之间的关系。