王家钧教授: 原位同步辐射成像技术在电池领域的应用

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为了满足国家中长期能源发展的需求，开发清洁高效的新型储能技术十分必要。在各种储能方式中，电化学储能方式是最为简便、高效的一种方式，成为储能技术发展的主流，这其中，锂离子电池技术的发展最为成功。随着电动汽车以及3C电子产品对电池性能要求的不断提高，目前商业化的锂离子电池已经不能满足需要，亟待发展高容量、长寿命、低成本的新型电池技术，而这需要探索和深入理解这些新材料和新体系内存在的关键基础问题。近年来，同步辐射因具有高亮度、宽波段、窄脉冲、高准直和高偏振等特点，在电池材料反应机制的原位分析领域得到广泛运用。基于不同的成像原理，如透射成像、衍射成像和荧光成像等，人们发展了多种基于同步辐射光源的X射线成像技术，用于材料在不同维度的形貌、微观结构和化学信息的表征，从多方面深入理解电池材料的反应机制与衰减机理。

近日，哈尔滨工业大学王家钧教授在Small Methods上针对原位同步辐射成像技术在电池领域的应用，发表了题为”Probing battery electrochemistry with in operando synchrotron X-ray imaging techniques”的综述文章（DOI: 10.1002/smtd.201700293）。该综述简述了同步辐射X射线的成像技术的原理，着重介绍了原位同步X-射线辐射成像技术（硬X射线透射成像(TXM), X射线扫描透射成像(STXM), X射线荧光成像(XRF), 相干光衍射成像(CDI), 如图1）在电池材料电化学反应机制方面的应用。其中，TXM技术是一种根据样品中各化学相的衬度差别的透过式成像技术，可以分析材料在多维尺度上的形貌、化学相分布等信息，目前该技术的空间分辨可达到20 nm；STXM技术是通过将X射线高度聚焦后扫描透射成像的技术，其空间分辨与TXM相近，为12-40 nm；XRF技术是一种可以检测微量元素的具有次微米级分辨的荧光成像技术；而CDI技术是通过相干的X射线作用在样品上而发生相干衍射的成像技术，主要用来测试晶体材料的应力分布、缺陷等结构信息，其空间分辨可达几个纳米。通过对比分析上述各种同步辐射成像的技术特点，作者最后给出了同步辐射X射线成像技术在电池领域应用的技术展望，并指出随着下一代同步辐射光源的发展， X射线成像技术将可广泛拓展到其他能源系统的研究中。