背景介绍

近年来，随着电动汽车和混合动力汽车市场的不断增长，科学家们今天的主要关注点是开发更高效的可充电电池。锂离子电池因为具有良好的循环性能、高能量密度和良好的安全性，应用最为广泛1。目前，市面上绝大部分电池都基于液态电解液技术。电池的正负极和隔膜都浸泡在电解液中，在充放电过程中，电解液作为锂离子的传输媒介，一方面提供部分活性锂离子，作为导电离子使用，另一方面提供离子通道，帮助锂离子在其中自由移动。所以锂电池中电解液的本质作用是稳定地传导锂离子。电解液就是锂电池内部物质传输的“血液”，对电池的能量密度、功率密度、循环寿命、安全性能等起着关键性作用2。

电解液种类很多，包括水性电解液、聚合物电解液、全固态电解液和常用的有机电解液。现在电动汽车中几乎所有的电池都只使用非水有机电解液。在这种电解液中，通常是将一些锂盐溶解在有机碳酸盐中，加入一些额外的添加剂，以提高电池的成膜质量、导电性、阻燃性等性能。用作溶质的锂盐包括LiClO4、LiAsF4、LiPF6、LiBF4等1。

电解液需要具有良好的离子导电性，这一特性可以通过测量不同分子/离子的扩散系数来进行评估。核磁共振是快速测定溶液中化学物质自扩散系数的首选方法，常用的技术是将脉冲场梯度与受激回波序列(PGSTE)相结合，该序列可以通过测量每种分子的每种特定化学基团的扩散来测量混合物中不同分子/离子的扩散系数。Spinsolve核磁仪器配有梯度线圈，使这种类型的实验成为可能。

由于电解液是混合物，1H谱信号极易重叠并会导致分析困难，所以如果在同一台仪器上可以实现混合物中多种不同原子核的信号监测，将会对分析样品的性质帮助极大。为了证明Spinsolve台式核磁系统在多核扩散测量方面的优势，我们选择1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIM-BF4)和四氟硼酸锂(LiBF4)的混合物（图1）作为样品，其中包含了1H, 19F和7Li三种不同种类的离子。

图1：BMIM-BF4（左）和LiBF4（右）

图2为这三种离子的核磁共振波谱。BMIM+的1H谱显示了该分子中存在的所有化学基团的信号，每个基团中存在的1H的数量可以通过每个峰的积分面积值进行交叉检查（图2a）。BF4-的氟谱在约-148 ppm处显示为单峰（图2b），和文献一致。最后，Li+离子在接近0 ppm位置也显示为单峰（图2c），通过图2b和图2c，可以量化氟和锂的数量。

图2： BMIM-BF4 + LiBF4的氢(a)、氟(b)和锂(c)波谱。在BMIM-BF4单次扫描实验中，氢和氟的信号分别在不到10秒的时间内得到。16.7 mg/mL 浓度的LiBF4在BMIM-BF4中，锂的信号在20秒内扫描4次得到。