磁显微技术实现电池动态过程的原位纳米尺度成像：揭示锂及后锂电池异质性运行与退化机制

为解决电池运行与退化过程中纳米尺度异质性电荷传输与化学反应的观测难题，研究人员开发了基于氮空位(NV)色心的原位磁显微技术，通过定量成像离子/电子电流分布与氧化还原反应磁场信号，揭示了固态电池中空间异质性的电流聚焦、枝晶生长与正极反应不均匀性等现象，为电池性能优化提供了全新的功能成像手段。

　　

电池技术作为绿色能源转型的核心支撑，在推动交通电动化和平衡可持续能源供需方面发挥着关键作用。然而当前电池研发面临快速充电、高能量密度、长寿命和安全性能难以兼顾的严峻挑战，其根本瓶颈在于电池运行过程中固有的异质性现象——从纳米尺度的电荷传输不均到微观区域的化学反应差异，这些异质性会引发局部过活性或失活区域，加速电池退化。特别在固态电池中，固固界面过程的纳米级特征使得传统表征技术难以实现埋藏界面过程的原位观测，导致人们对电池动态过程的理解存在显著空白。

针对这一难题，Stefan Pollok等研究团队在《Nature Communications》发表了突破性研究成果，开发了基于氮空位色心量子传感的磁显微技术，实现了对锂电池运行过程中多物理场耦合现象的原位可视化。该研究通过创新性地解析电池运行产生的三种磁信号——正极氧化还原反应的磁化率变化、电荷流动的奥斯特磁场以及负极金属沉积的顺磁响应，首次在纳米尺度上揭示了电池运行的功能性异质性。

研究主要采用以下技术方法：1）构建Li|LLZO|LiCoO₂固态电池模型进行有限元模拟；2）利用扫描氮空位磁力计实现纳米级磁场成像；3）通过连续波光学探测磁共振技术测量磁化率分布；4）结合电化学测试与磁学表征分析电池材料特性。研究队列包含多种正极材料（LiCoO₂、LiFePO₄等）和固态电解质（LLZO、LATP等）。

正极反应成像

通过测量过渡金属离子在氧化还原过程中的磁化率变化，研究人员成功实现了对Li_xCoO₂正极电荷状态的纳米级成像。研究发现，在快速充电（5C）条件下，正极颗粒出现明显的锂浓度梯度，靠近负极侧的颗粒脱锂速率更快。这种空间异质性通过外加磁场下产生的10μT级 stray field 被NV传感器检测到，为理解正极材料的非均匀反应提供了直接证据。

电荷流动可视化

研究团队成功成像了固态电池中电子和离子的电流分布，揭示了关键缺陷处的电流重分布现象。在23.50 mA·cm^-2的高电流密度下，锂枝晶尖端出现显著的电流聚焦效应，电流密度局部可达10,000 mA·cm^-2。通过逆滤波重建方法，研究人员从测量的磁场分布中定量重构了埋藏电流密度，为理解电池短路机制提供了新视角。

负极反应监测

利用金属锂的顺磁性特性，该技术实现了对负极锂金属沉积和枝晶生长的直接观测。尽管锂金属的信号强度比Li_xCoO₂低一个数量级，但在高外磁场下仍可检测，且能够穿透非磁性保护层，为空气敏感负极材料的原位研究提供了可能。

磁性有序相分析

研究还探讨了电池材料中磁有序相的形成机制，包括低温下的磁相变和降解产物的磁性特征。这些磁性有序相可作为电池退化的重要指示剂，如Li_xCoO₂在高电压下分解为Co₃O₄和CoO等磁性相。

研究结论表明，磁显微技术特别是NV磁力计，为电池研究提供了全新的多维表征能力。该技术不仅能非侵入式地可视化埋藏的功能过程，还能实现电流分布、磁化率、温度和电场等多参数的关联测量，为理解电池异质性运行和退化机制提供了强大工具。相比传统表征技术，磁显微技术具有纳米级空间分辨率、室温操作、埋藏探测能力等独特优势，在固态电池界面过程研究、枝晶生长机制解析和电池性能优化方面具有重要应用前景。这项技术不仅适用于锂离子电池，还可扩展到钠、钾、镁、钙、铝等后锂电池体系，为下一代高能量密度电池的开发提供了新的研究范式。