顺磁共振:电池研究方法的新星

近年来，磁共振技术已广泛应用于锂/钠离子电池、燃料电池、超级电容器等电化学储能系统的研究。而新能源汽车电源中的锂离子电池和有望作为大规模储能电池使用的钠离子电池是目前热门的研究热点。然而，各种电池材料都面临着不可避免的“天花板”，如锂储量有限、成本高昂，以及如何实现更快的充电速度和更高的能量密度等技术指标问题。要解决这些问题，需要科研人员的不懈努力和更精密仪器的支持。

日前，www.instrument.com.cn的一位编辑专门采访了华东师范大学研究员胡炳文，并邀请胡炳文先生介绍了磁共振技术如何助推电池领域的科研。

www.instrument.com.cn:胡老师，首先请您介绍一下您目前的研究方向以及选择这个方向的原因。

胡Bingwen:目前，我们课题组的主要研究方向是核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)在电池领域的应用，包括锂离子电池和钠离子电池。

在法国攻读博士学位期间，我主修核磁共振方法学的发展。回国后，我一开始并没有改变我的研究方向，开发了很多方法，比如SHANGHAI, SHA+。但在工作中我逐渐意识到一个问题:研究生很难在短时间内掌握NMR方法论并取得一定的科研成果。经过调查，我发现国内关于“电池-核磁共振”的研究比较少，于是我开始研究和做一些电池的研究，从电解质到负极，再到正极。

我的导师JP喜欢聊天，视野开阔。他多次对我说，法国五个国家级核磁共振研究中心的研究方向都有自己独特的重点。而在国土面积较大的中国，国家级核磁共振研究中心相对较少，多集中在催化和生物学领域。40岁时，JP的职业生涯发生了戏剧性的变化。他也一直鼓励我做出重大的职业转变，追求一个独特而专注的新方向。

在转向电池领域一段时间后，我发现核磁共振技术远远不能满足这一领域的研究，这也需要顺磁共振技术的成果作为支撑。因此，我们课课组在2016年向Bruker申请了一台演示仪器，后来又购买了一台Bruker E580连续波/脉冲电子顺磁共振谱仪，bob电竞安全吗以探索顺磁共振的优势。通过不断研究和探索顺磁共振技术在电池系统研究中的应用，最终形成了核磁共振、顺磁共振、电池混合的研究方向。

www.instrument.com.cn:磁共振技术是什么时候应用到电池领域的?与其他分析仪器相比，磁共振技术有什么特点?

胡Bingwen:目前国内将磁共振技术应用于电池领域的研究团队并不多。据我所知，目前大约有三到五个这样的研究小组。然而，在国际上，核磁共振在2000年左右进入了电池研究领域。2010年回国后，我开始进行相关研究。顺磁共振技术在电池领域的应用长期被忽视，成果零星。其实际起步时间为2015年左右，与核磁共振技术的应用相比，起步时间较晚。我们课题组于2016年进入该领域，基本与国际课题组保持同步。
与其他分析仪器相比，核磁共振和顺磁共振在电池研究中具有许多独特的特点。

核磁共振是一种宏观的科学工具，可以获得更全面的元素信息，而TEM等其他工具只能获得局部的元素信息，缺乏对整体情况的了解。NMR主要研究Li、Na和O，其对这些元素的分辨能力也强于其他分析技术。例如，当确定Li离子在NaLiMnO中的位置时₂在电池中，核磁共振可以最直接地检测出锂离子是在钠层还是其他层。

顺磁共振能很好地区分元素的价态。同步辐射是V系统测试中应用最广泛的技术。可以明显观察到V的变化^{4 +}和V^{5 +}，但很难区分V的微小变化^{3 +}．但是，在顺磁共振谱中，可以清楚地识别V^{3 +}的“力量”顺磁共振．

www.instrument.com.cn:您如何看待磁共振技术在电池能源领域的应用前景?

胡Bingwen:应该说，磁共振技术在电池领域有着非常光明的应用前景。核磁共振和顺磁共振技术可以提供互补的信息，可以提供关于电池材料的完整信息。

事实上，电池有一种独特的行为，称为“部分非晶化”。在阳离子电池材料中存在着一些无序的地方，这种无序的结构在大多数其他技术中都不能很好地解释。然而,核磁共振和顺磁共振可以很好地解释这一现象。此外，电池的内部和外部结构也有很大的不同。所以，无论从相变还是无序的角度来看，磁共振技术都是不可替代的。值得指出的是，MRI的使用并不排除同步辐射、TEM等技术的使用，因为我们可以通过使用不同的技术获得一些互补的信息。
不断探索EPR的更多潜力。

www.instrument.com.cn:你们实验室目前有多少台磁共振仪器?您是什么时候购买的，现在您的科研主要使用哪一种仪器?

胡Bingwen:核磁仪器我们实验室均为固态核磁光谱仪，包括一台300MHz光谱仪、一台400MHz光谱仪和两台600MHz光谱仪，均在2010-2014年左右采购。2018年采购顺磁共振谱仪一台，目前是我们实验室的主要仪器。

www.instrument.com.cn:借助这台布鲁克E580顺磁共振谱仪，您进行了bob电竞安全吗哪些研究工作，取得了哪些显著成果?

胡Bingwen:我们刚刚在JPCL上发表的文章是关于顺磁共振在NaCrO中的独特应用₂系统。利用顺磁技术，我们可以观察到Cr^{5 +}其他技术难以观测到的离子。通过使用充放电设备，我们可以知道，当电压低于3.7V时，电池的稳定性非常好;当电压超过3.7V时，信号很快就会消失。事实上，一旦电压超过3.7V，Cr^{3 +}会转化为铬^{5 +}，和Cr^{5 +}会溶解在电解液中，导致电池的性能急剧下降。如果你想获得这些信息，最直接有效的工具是顺磁共振．利用顺磁共振成像工具，我们可以看到，Cr离子位于电解质的膜上，这直接说明了的巨大潜力顺磁共振成像技术。

在此我再透露几个即将到来的研究成果:原位顺磁共振是一种研究Li离子在铜片上沉积过程的有效分析方法，其分辨率远高于磁共振成像(MRI)，这让我非常兴奋。此外，通过原位EPR图观察锂-空气电池中O的变化，我们发现氧化物(如Co_3.O₄)对O有独特的作用₂，这有助于理解为什么氧化物可以增强锂-空气电池的循环性能。

www.instrument.com.cn:你觉得这台E580顺磁共振光谱仪怎么样?你一开始为什么选择这个乐器?

胡Bingwen:一般来说，E580操作简单，性能强，可以满足先进科学研究的需要。售后服务也很好。仪器的可配置性对科学研究很重要。bob电竞安全吗Bruker还根据我的需要为我的E580配备了L波段，X波段，Q波段，以及成像系统。

至于选择这台仪器的原因:一方面，我们从2016年开始租用Bruker的E580 Demo机进行相关研究，至今已经五年了。bob电竞安全吗另一方面，我需要的Q波段和成像系统，据我所知，其他品牌的光谱仪都没有。

磁共振，一项不断求进、不断突破的技术

www.instrument.com.cn:您认为目前磁共振技术的发展能够满足电池研究的需要吗?出于科学研究的考虑，您对未来磁共振仪器的发展有什么期待?

胡Bingwen:我用一个成语来解释，叫“剁脚合脚”，意思是条件有限，只能根据仪器现有的功能来做相关研究。

目前，磁共振技术基本可以满足电池研究的需要。我最期待的是快速成像功能的开发，可以实现更快的成像，同时保持更高的灵敏度。现在成像速度比较慢。在过去，电池充电和放电需要24小时，所以在半小时内收集频谱图是没有问题的。但是，现在电池可能只需要一个小时的充放电，这就需要在几分钟内呈现收集结果。因此，要研究这个高速充放电的问题，就必须有更快的成像技术和光谱技术。
关于未来磁共振仪器的发展，其实我一直在不断完善仪器。原来的硬件设计必须是通用的，没有专门用于电池领域的研究。我们在现有架构的基础上做一些局部的改变，然后我们会独立设计一个更适合电池研究的工具。这些任务的进度可能比较慢，但我一直在做。我的目标是优化电池系统的磁共振仪及相关技术，保持我们在这一领域的独特优势。

www.instrument.com.cn:目前，中国正在大力发展新能源领域，电池也是一个非常受欢迎的行业。你能和我们分享一下你未来的工作计划吗?

胡Bingwen:未来，我希望通过核磁共振和顺磁共振技术的结合，找到电池领域的痛苦和困难的根源。例如，通过顺磁共振技术研究我们现在使用的阳离子无序正极材料，我们发现内部锰离子聚集是性能退化的核心因素。了解了性能下降的原因之后，就很容易做一些修改工作了。

虽然核磁共振技术的应用已经比较成熟，但我们课题组还在探索更多的应用。bob平台靠谱吗顺磁共振的应用时间并不长，很多技术还没有得到应用。因此，近年来，我想花时间研究顺磁共振技术，并将其应用于电池系统。即使在全球范围内，顺磁共振和顺磁共振成像的应用也非常稀缺bob平台靠谱吗，因此这将是我未来的重点研究方向之一。

胡炳文，华东师范大学研究员

胡炳文，现任华东师范大学物理与电子科学学院研究员，上海市磁共振重点实验室副主任，国家自然科学基金委员会优秀青年科学家(EYS)计划获得者，紫江市杰出青年学者，中国磁共振杂志青年编辑。主要研究磁共振及其在电池领域的应用，开发了固态核磁共振脉冲序列SHANGHAI、SHA+、RFDF-XY8-4-1，以及锂电池系统的原位核磁共振、原位EPR、原位EPR成像方法。

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