来源：中国科学院物理研究所
电极颗粒是电池最小的功能单元，它们的工作状态及均一性显著影响电池性能。对纳米微区的活性物质进行原位传感是理解其反应机制，探究失效机理，发展延寿技术以及预测电池寿命的关键步骤。然而，由于缺乏具有足够空间分辨率及灵敏度，且非破坏性的实时、原位传感手段，监测纳米微区电化学演化仍是极其挑战的。
团队通过对Fe3O4电极上微区磁场的原位测量演示了该方案的可行性。该实验以微米金刚石中集群NV色心为量子传感探针，系统表征了Fe3O4放电还原到FeO以及Fe的相变过程。
图1. 基于金刚石NV色心的电池原位量子传感示意图。（A）不同电池表征手段的空间分辨能力。传感手段以探测区域的大小（以平均贡献数据的颗粒数进行区分）和表征物理量分类。（B）原位电池装置示意图。（C）金刚石NV色心测试磁场和温度的原理。（D）电池放电曲线和P0点磁场变化曲线。电化学反应过程被分为了三个部分：（Fe3O4→ FeO → Fe）。（E）放电后的Fe3O4电极TEM照片；（F）放电结束撤去外加磁场后，P0点处的ODMR谱。
实验结果显示电极上活性物质并非同步发生相变，区域间存在明显的微观反应动力学差异。同时，利用NV色心的对磁信号的灵敏响应，确定了反应最终产物（Fe纳米颗粒）处于超顺磁态。基于多线程测量方式，实现了极片尺度磁场和温度分布的测试，展示了由电极结构中活性物质、碳导电网络和粘结剂的多样性带来的磁场和热导率的显著分布差异。这些结果展示了金刚石量子传感在微区电化学研究方面的独特优势。
