Small最近的一篇文章使用基于实验室的共焦微 X 射线荧光 (CMXRF) 光谱对镍锰钴 (NMC) 锂离子电池 (LIB) 中的过渡金属 (TM) 沉积进行了原位分析。

这种非破坏性技术可以对电池界面进行实时元素成像，为影响电池性能和寿命的退化机制提供关键的见解，尤其是在电动汽车（EV）和便携式电子设备中。

CMXRF 为何如此重要

CMXRF光谱是一种强大的分析方法，可提供空间分辨的定量元素数据。通过将X射线荧光与共聚焦显微镜相结合，它支持深度剖析和3D元素映射，这些功能特别适合研究像LIB这样的复杂分层系统。

锂离子电池因其高能量密度、高效率和优异的循环性能而被广泛应用。在正极材料中，NMC氧化物因其优异的电化学性能而脱颖而出。

然而，它们面临着诸如深度锂提取过程中的结构退化和过渡金属溶解等挑战——这些因素会导致容量损失和寿命缩短。CMXRF 使研究人员能够在不损坏样品的情况下，实时监测电池内部的这些变化。这使得它成为探索内部化学和结构变化如何影响电池安全性、稳定性和效率的宝贵工具。

用于原位测量的创新单元设计

在本研究中，研究人员使用CMXRF技术追踪NMC电池在超过10,600次循环周期内TM（过渡金属）的行为，特别是锰 (Mn)、镍 (Ni) 和钴 (Co)。他们的目标是监测这些金属如何向固体电解质界面相 (SEI) 和碳阳极迁移，而无需拆卸电池。

他们通过集成高定向热解石墨 (HOPG) 窗口定制了标准 CR2032 纽扣电池，从而能够在保留电池原始结构的同时进行光子入射/出射测量。这种设计使他们能够区分 NMC 正极和附近组件（例如隔膜和负极）中的微量金属沉积物。

他们通过逐步移动探测体，使其穿过不同的电池层，从而进行系统性的深度剖析，捕捉元素分布的动态变化。在六周的时间里，他们在不同的循环条件下进行了60次测量，并使用光谱反卷积软件量化了多个深度的TM浓度。最终，他们绘制出了一幅详细的图像，展现了金属如何随时间迁移并导致性能下降。

结果：过渡金属迁移及其影响

原位 CMXRF 测量表明，在电池循环过程中存在明显的 TM 迁移，经过约 200 次循环（三周）后，碳阳极中的 Mn 荧光强度增加了四倍。

定量分析表明，Mn质量沉积量达到23 µg cm⁻²，约占正极总Mn含量的1.3%，表明NMC正极向负极发生了显著的元素迁移。这种迁移与容量衰减和整体性能下降密切相关。

研究还观察到，由于气泡积聚，隔膜和碳阳极之间形成了缝隙，导致层间分层。这损害了电池堆的完整性，并可能限制了过渡金属的进一步沉积。有趣的是，锰的深度分布在约200次循环后趋于稳定，这表明存在一个饱和点或阻碍继续迁移的物理屏障。

此外，作者证实了TM沉积的不均匀性，在维持堆压的区域浓度较高，凸显了机械因素对元素分布的影响。事实证明，实时、无损测量的能力对于捕捉这些动态过程至关重要。

这对电池创新意味着什么

实时监测元素迁移的能力对电池开发意义重大。CMXRF 及相关技术可以实现更智能的诊断、更完善的质量控制，并延长电池的使用寿命。

例如，CMXRF 可以在制造过程中验证材料成分或监测运行过程中的变化，这些对于开发响应更快的电池管理系统至关重要。

了解金属的移动方式和位置有助于工程师找出电池的弱点，设计出结构稳定性更高、使用寿命更长的电池。此外，CMXRF 技术也有望集成到生产流程中，作为一种诊断工具，在电池出厂前发现缺陷并优化内部配置。

展望未来：更智能、更具弹性的电池

这项研究标志着锂离子电池研究迈出了重要一步，凸显了原位CMXRF光谱技术在追踪电池使用过程中过渡金属行为方面的价值。这些对元素迁移的实时洞察有助于研究人员理解并最终缓解限制电池性能和寿命的降解过程。

展望未来，提升空间分辨率、探索更广泛的循环条件，并将CMXRF与X射线吸收光谱等其他原位操作工具相结合，将加深我们对原子层面化学变化的理解。这些方法将共同支持锂离子电池的开发，使其不仅更高效，而且更耐用、更可靠。