電極顆粒是電池最小的功能單元，它們的工作狀態及均一性顯著影響電池性能。對納米微區的活性物質進行原位傳感是理解其反應機制，探究失效機理，發展延壽技術以及預測電池壽命的關鍵步驟。然而，由于缺乏具有足夠空間分辨率及靈敏度，且非破壞性的實時、原位傳感手段，監測納米微區電化學演化仍是極其挑戰的。
 

　　基于此，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的索鎏敏研究員團隊與劉剛欽研究員、鄭慧婕副研究員團隊合作，提出了一種基于金剛石量子傳感的電池內原位監測、無損表征方法，設計了原位納米微區量子探測-電池一體化方案，利用金剛石NV色心亞微米級空間分辨率以及其對磁場變化的高敏感性，實現了對電池活性物質物性納米微區原位探測，基于多線程傳感實現了高分辨電極內磁場的分布探測。
 

　　團隊通過對Fe3O4電極上微區磁場的原位測量演示了該方案的可行性。該實驗以微米金剛石中集群NV色心為量子傳感探針，系統表征了Fe3O4放電還原到FeO以及Fe的相變過程。實驗結果顯示電極上活性物質并非同步發生相變，區域間存在明顯的微觀反應動力學差異。同時，利用NV色心的對磁信號的靈敏響應，確定了反應最終產物(Fe納米顆粒)處于超順磁態?；诙嗑€程測量方式，實現了極片尺度磁場和溫度分布的測試，展示了由電極結構中活性物質、碳導電網絡和粘結劑的多樣性帶來的磁場和熱導率的顯著分布差異。這些結果展示了金剛石量子傳感在微區電化學研究方面的獨特優勢。
 

　　本工作受到了科技部、國家自然科學基金、中國科學院、北京市自然科學基金、北京清潔能源前沿研究中心，懷柔清潔能源材料測試診斷與研發平臺的大力支持。文章通訊作者為索鎏敏研究員、劉剛欽研究員、鄭慧婕副研究員，第一作者為劉秉航、陳修齊。該工作以“Operando Quantum Sensing Captures the Nanoscale Electrochemical Evolution in Battery”為題目，發表在Cell Press旗下期刊Device上(10.1016/j.device.2024.100521)。
 

　　圖1. 基于金剛石NV色心的電池原位量子傳感示意圖。(A)不同電池表征手段的空間分辨能力。傳感手段以探測區域的大小(以平均貢獻數據的顆粒數進行區分)和表征物理量分類。(B)原位電池裝置示意圖。(C)金剛石NV色心測試磁場和溫度的原理。(D)電池放電曲線和P0點磁場變化曲線。電化學反應過程被分為了三個部分：(Fe3O4→ FeO → Fe)。(E)放電后的Fe3O4電極TEM照片；(F)放電結束撤去外加磁場后，P0點處的ODMR譜。