近日，粤港澳大湾区（广东）量子科学中心、香港中文大学物理系刘仁保教授和李泉教授带领的金刚石色心量子传感团队，受邀在Cell Press旗下旗舰期刊《Joule》（IF= 38.6）上以“Operando monitoring of battery process at nanoscale”为题发表Preview文章[1]。该文章基于量子传感实现电化学反应原位监测的最新进展，从电池器件内部电化学反应的复杂性、空间不均匀性、随时间演化等特性出发，讨论了利用金刚石色心量子传感技术开展电化学反应监测的特点与优势，并对该方法的应用前景和面临的挑战进行了分析展望。量子传感技术使得电极内部不同区域的微观反应动力学差异被明显揭示，对于理解电池机理、电池性能与失效机制有重要意义。
文章图片摘要
电池原位量子传感示意图
传统的电化学演化监测主要基于宏观测量技术，无法提供可能导致电池性能衰减或失效的局部反应信息。因此，迫切需要一种具有高空间分辨率的实时、原位传感手段来探测电池内的电化学演化。NV色心量子传感兼具高分辨率和多模式传感能力，对包括温度、磁场、压力、电场在内的多种物理化学信号敏感。
最近，Liu等人提出了一种基于NV色心量子传感的电化学反应原位监测、无损表征新方法[2]。研究人员利用嵌入电极的金刚石NV色心对磁场变化的高敏感性，记录电化学反应过程中与不同氧化还原物质相关的杂散磁场变化。通过与电池的宏观放电曲线对比，该技术揭示了电池内部单粒子水平的微观反应动力学差异。该文章进一步分析了金刚石量子传感器在电化学反应原位监测方面的潜在应用与挑战，这一技术还可以扩展到各种电化学和电子器件，为实时原位表征提供了新的有力工具。
金刚石量子传感器捕获Fe3O4电极的纳米级电化学演化
香港中文大学物理系李泉教授为本工作通讯作者，量子科学中心副研究员崔悦为本工作第一作者，量子科学中心为第一单位。这项工作受到了香港研究资助局和广东省量子科学战略专项的资助。
参考文献：
[1] Yue Cui and Quan Li. Operando monitoring of battery process at nanoscale, Joule 8, 3242-3244 (2024).
[2] Binghang Liu, Xiu-Qi Chen, Yan-Xing Shang, Xiaolin Xiong, Huijie Zheng, Gang-Qin Liu, Liumin Suo, Device 12, 100521 (2024).
