快速电池充电协议的开发和优化需要有关电池内锂形态的详细信息。核磁共振（NMR）光谱具有识别在锂离子电池运行期间在负极中形成的锂相并量化其相对量的独特能力。此外，锂金属膜和枝晶都很容易被检测和定量。
图1 该工作中显示的原位核磁共振波谱分析的解释
加拿大麦克马斯特大学Gillian R. Goward等采用最近报道的平行板谐振器射频（RF）探针和盒式单层全电池用于跟踪硅电极在循环和快速充电过程中的行为。研究发现，在电化学循环过程中形成的LixSi化合物在慢速和快速充电过程中都表现出了意想不到的内在非平衡行为，向着越来越无序的局部环境演化。
与纯石墨的情况不同，其在恒流充电和放电过程中，锂化相随时间的演变是非线性的，并且充电和放电之间是不对称的。
图2 在C/20下第二次循环期间进行的原位7Li NMR表征
此外，研究显示，当以1C、2C和3C的倍率充电时，锂金属以薄膜和（在较小程度上）枝晶的形式沉积在硅负极上。部分金属锂膜的形成是可逆的，但仍有一部分以死锂的形式留在电极表面，而所有枝晶锂，即使形成的数量少得多，也是完全不可逆的。这种性能调节特性对于锂离子电池（LIB）快速充电协议的开发至关重要，而7Li磁共振策略可以很好地评估和量化这些特性。
图3 CC−CV−OCV循环期间进行的原位7Li NMR测试
Quantitative Operando 7Li NMR Investigations of Silicon Anode Evolution during Fast Charging and Extended Cycling. Journal of the American Chemical Society 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c07339 |
