东北大学的研究人员利用磁共振成像技术观察了锂离子电池中金属离子的溶解情况，从而实时了解了电池的退化情况。

许多现代设备为了便捷和高效而依赖于可充电电池。其中，锂离子电池因价格实惠且工作电压高而被广泛使用，非常适合用于电子设备和电动汽车。

然而，这些电池的性能会随着时间的推移而下降，并且随着电池的老化，安全问题也日益增多。

导致这种衰退的一个关键因素是阴极的金属离子溶解到电解质中。由于溶解量极小，研究这一过程极具挑战性。为了有效解决这个问题，研究人员必须首先确定电池中溶解发生的位置、时间和数量。

东北大学的研究人员一直在研究一种检测和调查阴极金属离子溶解的方法。他们利用核磁共振成像（MRI）技术，能够实时直接观察溶解情况。

他们的研究成果于2025年2月13日发表在《通讯材料》（Communications Materials）上。

MRI技术揭示金属离子溶解情况

据东北大学尖端材料多学科研究所（IMRAM）研究员Nithya Hellar称，“本研究的结果表明，核磁共振成像能以高灵敏度检测到极少量的锰（Mn）溶解情况，并能实时成像，从而能极大提高研究速度。”

磁共振成像（MRI）是一种医学成像技术，利用磁场和无线电波进行成像扫描。为了提高磁共振成像中感兴趣区域的可见度，会使用造影剂，如钆。钆具有顺磁性，可以改变目标区域的磁性，从而提高这些区域在磁共振成像中的可见度。

东北大学的研究小组能够利用这一MRI原理，因为从阴极溶解的锰具有顺磁性。具体而言，他们观察了尖晶石型LiMn2O4阴极在商用电池电解质LiPF6 EC:DMC中Mn2+的溶解情况。因此，如果发生溶解，MRI图像中的信号强度就会增加，而他们确实观察到了这一现象。使用MRI使他们能够实时直接观察溶解过程。

对电池设计和未来研究的启示

研究人员利用该技术来研究替代电解质系统是否可以抑制溶解。他们使用磁共振成像技术观察金属离子的溶解情况。由此推断，如果没有信号增强，则表明没有发生溶解。

他们测试了由德国明斯特大学明斯特电化学能源技术 (MEET) 电池研究中心的研究人员开发的 LiTFSI MCP 电解质系统，他们认为该系统可以抑制金属离子的溶解。在核磁共振成像中，信号强度没有显著增加。由此他们得出结论，没有发生溶解现象。

川村淳一（Junichi Kawamura）为东北大学（Tohoku University）名誉教授，他表示：“使用这种测试方法，可为研究人员在‘探究任何电化学系统在不同电化学条件下（例如更换电解质溶液、盐类、电极和添加剂）的金属离子溶解情况’方面提供宝贵的帮助。这种鉴别方法或可用于设计锂电池材料，并提升材料性能。”

展望未来，这一技术将极大地提高研究人员理解这些电池内部反应机制以及测试替代电池技术的能力，前景广阔。赫拉表示：“我们相信，我们开发出的这种方法可以回答锂离子电池电极中金属离子何时、何地、如何溶解这一长期悬而未决的问题，并且该方法还可拓展应用于其他电化学系统。”

参考文献：《2025年2月13日Nithya Hellar、Yoshiki Iwai、Masato Ohzu、Sebastian Brox、Arunkumar Dorai、Reiji Takekawa、Naoaki Kuwata、Junichi Kawamura和Martin Winter于《通讯材料》期刊上发表的“直接观测锂电池正极材料LiMn2O4中锰离子的溶解进入电解质的过程”》。数字对象唯一标识符：10.1038/s43246-025-00733-2。