美实验室辐射光成像技术追踪电池内的化学反

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　　日期： 15:5 :12来源：物联中国 点击：500次 核心提示：美国能源部布鲁克海文国家实验室的研究人员创造了一种新的成像技术，使科学家通过使用不同的X射线能量以及旋转电池，能够探测电池在充电和 美国能源部布鲁克海文国家实验室的研究人员创造了一种新的成像技术，使科学家通过使用不同的X射线能量以及旋转电池，能够探测电池在充电和放电时的内部组成。该技术产生一个三维的化学地图，并使科学家们能够在工作状态下随着时间的推移去追踪电池内的化学反应。他们的工作发表在了8月12日的《自然通信》杂志上。

　　获得充放电时电池内部活动的准确的图像是一项艰巨的任务。通常，甚至X射线图像也不能为研究人员提供足够的关于电池材料内部化学变化的信息，因为二维图像不能将一层材料的信息与另一层的信息分开来。想象一下从上往下对一个多层办公楼进行X射线成像。你会看到一个又一个的办公桌和椅子互相堆叠在一起，办公楼多个楼层的地板融合成一张照片。但很难知道任何一层的确切布局，更不用说跟踪一个人在一天内的运动情况了。

　　对能源材料进行深入的原位研究是非常具有挑战性的，这需要在三维角度上准确跟踪化学相的演化并将其与电化学性能关联起来， 国家同步辐射光源II的物理学家JunWang说，她主导了这项研究。

　　Wang和她的团队使用一个工作中锂离子电池来跟踪在充电时电极内的磷酸铁锂的相的演变。他们将层析成像(一种显示物体的三维结构的X射线成像技术)与X射线吸收近边结构(X-rayAbsorptionNearEdgeStructure，XANES)光谱分析(这种分析方法对化学和原位的电子变化敏感)进行了结合。其结果是电池工作的一个 五维 图像：随着时间的推移和在不同的X射线能量下的一个完整的三维图像。

　　为了获取这种三维的化学地图，他们在一个能量范围内对电池进行了扫描，其中包括在电极内的感兴趣的元素的 X射线吸收边缘 ，在每个X射线能量下将样品旋转一个完整的180度，并在电池充电不同阶段重复此过程。用这种方法，每个被称为体像素(voxel)的三维像素都产生一个光谱，它就像一个对应于每种化学物质的特殊 指纹 ，可以在这个体像素所代表的位置分辨出化学物质的类别和它的氧化状态。将该化学指纹与所有体素匹配在一起就生成了一幅三维化学地图。

　　科学家们发现，在充电过程中，磷酸铁锂转化为磷酸铁，但在电池的不同地方这个过程具有不同的速率。当电池处于充电的早期阶段时，这种化学演变只发生在特定的方向上。但随着电池的充电程度变得更深之后，这种演变就会在整个材料的所有方向上进行。

　　如果这些图像是用标准的二维方法来拍摄的话，我们将不会有能力看到这些变化， Wang说。

　　我们前所未有的直接观察相变在三维上是如何发生的能力，精确的揭示了相变过程中是否有新的相或中间相存在。这种方法给了我们关于在电池电极里面究竟发生了什么的精确的洞见,并阐明了以前关于相变机制的含糊之处， Wang说。

　　Wang说，建模将有助于团队探索相变传播发生的方式以及材料上的应变是如何影响这个过程的。

　　这项工作是在现在已经关闭的国家同步辐射光源(NSLS)上完成的，它包含了一个由Wang使用美国能源部通过2009美国复苏与再投资法案提供的资金开发的透射X射线显微镜(TXM)。这个透射X射线显微镜仪器将迁往布鲁克海文国家实验室的新光源 NSLS-II，该光源可以产生比起前任要亮10000倍的X射线。NSLS和NSLS-II都是能源部科学办公室的用户设施。

　　在NSLS-II上，这个工作可以完成得非常快， 她说。 该光束的稳定性使其适合于良好的层析成像，而其射线流量是如此之高，使得我们可以更快速地拍摄图像并捕获更快的反应。