MRI技術揭開鋰電池衰退之謎

現代生活中，許多裝置都依賴可充電電池來提供便利與效率。其中，鋰離子電池因其價格實惠且工作電壓高，廣泛應用於電子裝置和電動車領域。然而，這些電池隨著時間的推移會出現效能衰退，且隨著老化，安全疑慮也隨之增加。造成這種衰退的關鍵因素之一，是陰極金屬離子溶解到電解質中的現象。由於溶解的金屬離子量極少，研究這一過程一直充滿挑戰。

東北大學的研究團隊開發了一種方法，利用核磁共振成像（MRI）技術來檢測和觀察陰極金屬離子的溶解過程。這項研究成果已於2025年2月13日發表在《通訊材料》期刊上。研究團隊成員、東北大學先進材料多學科研究所（IMRAM）的研究員Nithya Hellar表示，這項研究顯示，MRI能以高靈敏度檢測到極少量的錳（Mn）溶解，並即時視覺化，這將大大加速相關研究的進展。

MRI是一種利用磁場和無線電波生成影像的醫學成像技術。為了增強MRI影像中特定區域的可見性，通常會使用如釓（Gadolinium）等對比劑。釓具有順磁性，能夠改變目標區域的磁性特性，從而提高其在MRI影像中的可見度。東北大學的研究團隊正是利用這一原理，因為從陰極溶解的錳離子也具有順磁性。具體來說，他們觀察了尖晶石型LiMn₂O₄陰極在商用電池電解質LiPF₆ EC:DMC中的Mn²⁺溶解過程。如果溶解發生，MRI影像中的訊號強度會增加，而研究團隊確實觀察到了這一現象。

研究團隊還利用這項技術測試了一種由德國明斯特大學MEET電池研究中心開發的替代電解質系統LiTFSI MCP，他們認為這種電解質能夠抑制金屬離子的溶解。結果顯示，MRI影像中並未出現訊號強度的顯著增加，這表明溶解並未發生。

東北大學名譽教授川村淳一指出，這種測試方法為研究人員提供了寶貴的工具，能夠探索不同電化學條件下（如改變電解液、鹽類、電極和新增劑）金屬離子的溶解情況。這項技術有助於設計更優質的鋰電池材料，並提升其效能。

展望未來，這項技術在幫助研究人員理解電池內部反應機制以及測試替代電池技術方面具有巨大潛力。Hellar表示：「我們相信，這項方法能夠解答長期以來未解的疑問，即鋰離子電池電極中金屬離子溶解的時間、地點和方式，並且可以擴充套件到其他電化學系統中。」