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。
基于此，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的索鎏敏研究员团队与刘刚钦研究员、郑慧婕副研究员团队合作，提出了一种基于金刚石量子传感的电池内原位监测、无损表征方法，设计了原位纳米微区量子探测-电池一体化方案，利用金刚石NV色心亚微米级空间分辨率以及其对磁场变化的高敏感性，实现了对电池活性物质物性纳米微区原位探测，基于多线程传感实现了高分辨电极内磁场的分布探测。
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。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。
本工作受到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院、北京市自然科学基金、北京清洁能源前沿研究中心，怀柔清洁能源材料测试诊断与研发平台的大力支持。文章通讯作者为索鎏敏研究员、刘刚钦研究员、郑慧婕副研究员，第一作者为刘秉航、陈修齐。该工作以“Operando Quantum Sensing Captures the Nanoscale Electrochemical Evolution in Battery”为题目，发表在Cell Press旗下期刊Device上(10.1016/j.device.2024.100521)。
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。
