五個維度全面呈現——化學地圖探秘電池內部反應

材料牛注：前沿科技又添新銳！相變過程不再神秘，化學地圖助力科學探究，精確洞察反應過程。

美國能源部布魯克海文國家實驗室的研究者們發明了一種新的成像技術，這種技術可使科學家們在對電池進行充放電循環的過程中，通過利用不同能量的X射線來探查電池的內部組成。這種技術為我們呈現了一幅三維化學地圖，使科學家們能夠追蹤化學反應，探究工作狀態下電池內的化學反應隨時間的變化情況。這一研究成果刊登在8月12日的Nature Communications上。

在電池內部充放電的過程中，獲得精準的圖像是一件困難的事情。即使從X射線圖像中也很難得到關于電池材料內部化學變化的信息，因為二維圖像不能區分不同的圖層。想象一下，用X射線自上而下拍攝一個多層辦公室，你能看到桌子、椅子相互堆疊，辦公空間的幾層地板都混合在一張圖片中。但是很難準確知道每一層的布局，更不用說監測某個人在其中移動一天的軌跡了。

二代國家同步輻射光源部的物理學家兼本項研究的帶頭人王軍（Jun Wang，音譯）表示說：“進行如此深入的原位研究具有很大的挑戰性，這需要在3D環境下準確跟蹤化學相變，并且將其和電化學的性能聯系起來。”

王軍團隊選用一個工作中的鋰離子電池為研究對象，探究了充電過程中電極中磷酸鋰鐵的相變情況。他們結合X射線斷層攝影技術（一種能使呈現物質3D結構的X射線成像技術）和X射線吸收近邊結構光譜（XANES）（這種方法對化學和局部電子的變化很敏感），得到了工作中電池的“五維”圖像：隨時間和X射線能量改變的完整三維圖像。

為了做出這樣的3D化學地圖，他們用一些列能量的X射線掃描了電池（包括電極內一些元素的“X射線吸收邊緣”）同時將樣品旋轉180°，并在電池充電的不同階段重復這個過程。通過這樣的方式，每個三維像素——也就是所謂的體素——產生了光譜，這很像一種化學特性“指紋”。通過體素能夠辨別這一位置時材料的的化學和氧化態。所有體素組合成了3D化學地圖。

研究者發現，在充電過程中，磷酸亞鐵鋰轉化成磷酸鐵，但是化學反應速率并不是恒定的。在充電初期，化學反應只在特定的方向上進行，但是隨著電池充電過程逐步推進，轉化過程就開始在各個方向上進行了。

王軍表示：“如果只按標準的二維方法成像，我們就不能觀察到這些化學變化。我們的創新點是：如果有一個新相或者是中間相在產生，我們就能夠通過3D技術直接觀測到這一相變過程是如何發生的。這個方法使我們能夠精準的洞察在電池電極中發生了什么反應，同時澄清了之前關于相變機理的猜測。建模將有利于幫助研究小組探尋相變傳播的方式和應變對這一過程的影響。”

王軍還提到：“在二代國家同步輻射光源部，這項任務能夠高效完成，一方面因為光束穩定性好，有利于X線斷層攝影，另一方面因為通量高，因此采集圖像的速度甚至比化學反應速率更快。

原文鏈接：Images reveal battery materials' chemical reactions in five dimensions。

文獻鏈接：Visualization of anisotropic-isotropic phase transformation dynamics in battery electrode particles。

本文由編輯部張瑩提供素材，謝曉靖編譯，王思迪審核，點我加入材料人編輯部。