钠离子电池凭借其低成本和可持续性等优势而广受关注。这使得人们对开发新的钠离子电池和新的分析方法越来越感兴趣，这些方法可以无创、直接地可视化电池化学。近日，英国伯明翰大学Melanie M. Britton等利用原位1H和23Na核磁共振成像技术对硬碳负极在脱嵌钠过程中钠离子的分布进行了直接观测。
本文要点
1) 研究人员首次利用23Na核磁共振光谱和原位1H和23Na磁共振成像技术对硬碳在金属钠半电池和钠离子全电池中恒流充放电时Na+的状态和分布进行了观察。实验所得照片和光谱揭示了金属态Na和溶剂化Na的化学变化，这与含钠物种在电池中的分布的变化相关。
2) 研究人员通过两种手段直接和间接地观察到了金属钠枝晶的生长。23Na核磁共振光谱揭示了金属Na和准金属Na在充电循环中的发展变化以及新的溶剂化Na的环境。这些变化与非石墨化碳电极中的嵌钠相关而与SEI膜的流动相的相关性较小。研究人员还注意到，在循环早期观察到的金属信号在钠金属电池中是看不到的，这是因为金属钠电极发出的巨大信号会淹没这些较小的信号。金属态Na的信号只有在钠离子全电池中才能观察到。
3) 研究人员认为未来需要开展更加进一步的工作来对观测到的金属Na、准金属Na和溶剂化Na的组分和位置进行精准分析。不过，这项实验技术仍然展现了在电化学行为研究中的巨大潜力。而且值得注意的是，该工作中使用的核磁共振探头是现成的而不是专门定制的，这表明该技术具有十分广泛的应用前景。
Joshua M. Bray et al, Operando visualisation of battery chemistry in a sodium-ion battery by 23Na magnetic resonance imaging, Nature Communications, 2020
DOI: 10.1038/s41467-020-15938-x
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15938-x