東北大學成功實現鋰離子電池電極之金屬溶出的可視化

 

刊登日期:2025/4/11
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日本東北大學開發了一項利用磁共振成像(MRI),可將鋰離子電池正極材料-鋰錳氧化物(LiMn2O4; LMO)中的錳(Mn)離子溶出至電解液的過程進行即時可視化的方法。利用此項技術,將能以視覺性、定量地觀測電池充放電時Mn溶出的電壓、位置及溶出動作。
 
東北大學嘗試利用了醫療MRI對患處進行成像時,透過注射含有順磁離子的造影劑促進氫離子弛緩,從而增強MRI訊號的方法。研究團隊指出,從LMO正極溶出的Mn離子具有順磁性,當其溶出電解液時,會加速附近氫離子中質子的弛緩,因此推估MRI可間接地將溶出Mn離子的時間或空間分佈予以視覺化。
 
研究團隊使用大學的Avance400 NMR儀器與微影探頭測量了鋰離子電池模型中電解液的氫離子。結果發現,充電電壓在3 V左右時,影像雖然沒有明顯變化,但當電壓超過4 V,LMO正極附近的訊號強度從4.15 V左右開始增加,並從4.48 V左右迅速增加。
 
與感應耦合電漿(ICP)原子發射光譜法進行比較,發現在該電位附近約有30 μM的微量Mn溶出,且證實Mn濃度與MRI訊號強度之間存在相關性。藉此也確認MRI技術可以有效率地檢測出數μM單位之過渡金屬離子的溶解。
 
東北大學也利用此項技術對於德國明斯特大學(University of Münster)開發的新電解液進行了分析,並證明LMO正極中幾乎沒有錳離子的溶出。此項技術亦可應用於Mn以外的過渡金屬或鋰硫電池中硫的溶出,藉此將可望促進抑制鋰離子電池劣化、延長電池壽命及提高安全性之技術開發。

資料來源: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20240214_01web_mri.pdf
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