五个维度全面呈现——化学地图探秘电池内部反应

材料牛注：前沿科技又添新锐！相变过程不再神秘，化学地图助力科学探究，精确洞察反应过程。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的研究者们发明了一种新的成像技术，这种技术可使科学家们在对电池进行充放电循环的过程中，通过利用不同能量的X射线来探查电池的内部组成。这种技术为我们呈现了一幅三维化学地图，使科学家们能够追踪化学反应，探究工作状态下电池内的化学反应随时间的变化情况。这一研究成果刊登在8月12日的Nature Communications上。

在电池内部充放电的过程中，获得精准的图像是一件困难的事情。即使从X射线图像中也很难得到关于电池材料内部化学变化的信息，因为二维图像不能区分不同的图层。想象一下，用X射线自上而下拍摄一个多层办公室，你能看到桌子、椅子相互堆叠，办公空间的几层地板都混合在一张图片中。但是很难准确知道每一层的布局，更不用说监测某个人在其中移动一天的轨迹了。

二代国家同步辐射光源部的物理学家兼本项研究的带头人王军（Jun Wang，音译）表示说：“进行如此深入的原位研究具有很大的挑战性，这需要在3D环境下准确跟踪化学相变，并且将其和电化学的性能联系起来。”

王军团队选用一个工作中的锂离子电池为研究对象，探究了充电过程中电极中磷酸锂铁的相变情况。他们结合X射线断层摄影技术（一种能使呈现物质3D结构的X射线成像技术）和X射线吸收近边结构光谱（XANES）（这种方法对化学和局部电子的变化很敏感），得到了工作中电池的“五维”图像：随时间和X射线能量改变的完整三维图像。

为了做出这样的3D化学地图，他们用一些列能量的X射线扫描了电池（包括电极内一些元素的“X射线吸收边缘”）同时将样品旋转180°，并在电池充电的不同阶段重复这个过程。通过这样的方式，每个三维像素——也就是所谓的体素——产生了光谱，这很像一种化学特性“指纹”。通过体素能够辨别这一位置时材料的的化学和氧化态。所有体素组合成了3D化学地图。

研究者发现，在充电过程中，磷酸亚铁锂转化成磷酸铁，但是化学反应速率并不是恒定的。在充电初期，化学反应只在特定的方向上进行，但是随着电池充电过程逐步推进，转化过程就开始在各个方向上进行了。

王军表示：“如果只按标准的二维方法成像，我们就不能观察到这些化学变化。我们的创新点是：如果有一个新相或者是中间相在产生，我们就能够通过3D技术直接观测到这一相变过程是如何发生的。这个方法使我们能够精准的洞察在电池电极中发生了什么反应，同时澄清了之前关于相变机理的猜测。建模将有利于帮助研究小组探寻相变传播的方式和应变对这一过程的影响。”

王军还提到：“在二代国家同步辐射光源部，这项任务能够高效完成，一方面因为光束稳定性好，有利于X线断层摄影，另一方面因为通量高，因此采集图像的速度甚至比化学反应速率更快。

原文链接：Images reveal battery materials' chemical reactions in five dimensions。

文献链接：Visualization of anisotropic-isotropic phase transformation dynamics in battery electrode particles。

本文由编辑部张莹提供素材，谢晓靖编译，王思迪审核，点我加入材料人编辑部。