原位NMR、MRI为金属微结构的形成过程提供理解方法，为固体电解质的相转变过程和相稳定性提供经验。为了获得高容量、高寿命、低危险性的可充电电池，Li、Na等金属电极能够为电池提供较高的能量密度，金属阳离子用于载流子穿梭作用，但是其商业化应用中的作用仍难以捉摸，这是因为相关技术上的障碍导致。其中充放电循环过程中生成的不稳定的固体-电解液界面、容易发生危险的微结构（MMS）/枝晶是主要的问题。目前该领域中产生了较大的进展，但是人们仍然对不稳定固体-电解液界面生成过程、MMS产生的原因不理解。为了深入理解以上问题，人们发展了NMR、MRI等原位/现场测试方法，得以对电池中的化学过程实现深入理解，尤其是NMR、MRI对电池中的化学环境非常敏感，为材料的结构、组成、动力学过程进行分析理解。乔治敦大学YuYe J. Tong等对最近厦门大学杨勇等对SEI、MMS原位观测研究进行评述。

本文要点：

（1）

厦门大学杨勇、中科院福建物构所钟贵明等报道了通过原位²³Na NMR、MRI方法对Na||Cu、Na||Na电池中Na微结构的形成过程进行分析，通过常见1 M NaClO₄/碳酸丙烯酯电解液中加入2 %碳酸氟乙烯酯（FEC）添加剂，在Na||Cu电池中观测导SMS首先在Cu电极上生成，在没有添加FEC时该生成过程为不可逆过程，而且随着充放电循环次数增加，SMS的量增加，过电势提高。在结构对称Na||Na电池中，作者通过²³Na NMR表征发现，过电势和生成的SMS量之间有单调和阶梯状定量关系。该结果非常重要，展示了SMS的生成过程是自促进的级联过程，当SMS一旦开始生长，过电势会持续增加，然后增加的过电势反馈进一步生成更多量的SMS。该工作展示了实验中观测SMS的生长和对应的定量关系变化。

（2）

作者通过²³Na、¹H→²³Na交叉极化魔角自旋NMR实验对Cu电极在50次循环后的SEI材料变化情况进行比较。结果显示当电解液中加入FEC时，SEI的稳定性得以显著改善，其中由91 %的无机成分和9 %的有机成分组成；对比未加入FEC时，无机成分和有机成分分别为38 %和62 %。

该结果说明，无机组分较多时，SEI界面稳定性更高。此外，作者发现当加入FEC后，电池中显示了更多NaH成分（30 %），未加入FEC时电池中的NaH成分为11 %。作者认为氢化物是增强电池稳定性的原因。

参考文献

YuYe J. Tong* A self-promoting growth of Na microstructures. Nat. Nanotechnol. 15, 1–2 (2020).

DOI: 10.1038/s41565-020-0772-8

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0772-8

Xiang, Y., Zheng, G., Liang, Z. et al. Visualizing the growth process of sodium microstructures in sodium batteries by in-situ ²³Na MRI and NMR spectroscopy, Nat. Nanotechnol. 15, 883–890 (2020). 

DOI: 10.1038/s41565-020-0749-7

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0749-7