在3D电池内部绘制纳米级化学反应

芝加哥伊利诺伊大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员已经发明了一种新技术，这种技术能够在纳米级三维空间中精确定位发生在锂离子电池内部的化学反应的位置。这个研究结果发表在Nature Communications杂志上。

论文中的共同作者，UIC化学副教授Jordi Cabana说：“了解参与到化学反应的单个纳米颗粒在化学反应中的确切位置有助于我们确定电池的运行方式，并揭示如何优化电池以使其更好的工作。”

当电池充电和放电时，其电极（发生能量反应产生能量的材料）交替被氧化和还原。通过这些反应发生的化学途径能够确定电池耗尽的速度。

可用于研究这些反应的工具只能提供在任何给定时间点电极的平均组成的信息。例如，这些信息可以让研究人员知道已经被永久氧化的电池的百分比是多少。但是这些工具不能提供关于电极中被氧化部分的位置的信息。由于这些限制，无法判断反应是否限制在电极的某个区域，例如在材料的表面，或者反应是否均匀地发生在整个电极。

Cabana说：“如果我们想判断在电极的特定部分是否存在反应的倾向，那么更有效的办法是判断电极中单个纳米颗粒内反应的位置，因为那样您就可以理解这些局部化的反应与电池的性能的关系，如充电时间或有效充电周期次数。”

这种称为X射线断层摄影术的新技术是通过UIC化学家和加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室Advanced Light Source的科学家之间的合作来实现的。顶尖的光源科学家发明了仪器和测量算法，来帮助UIC团队解答有关电池材料和行为识别的基本问题。

两个团队一起使用层析成像技术，在电池电极中观察到了几十个磷酸铁锂盐的纳米颗粒。研究人员使用高级光源的高通量同步加速器产生的相干纳米级X射线束来扫描每个纳米粒子。材料吸收光束的模式为研究人员提供了有关X射线束中纳米颗粒中的铁的氧化态的信息。因为他们能够将光束移动几纳米并再次进行扫描，所以团队可以重建纳米颗粒的化学图谱，分辨率约为11纳米。并通过在空间旋转材料，他们可以对每个纳米颗粒的氧化态进行三维层析重建。换句话说，他们可以了解单个纳米磷酸铁锂颗粒反应的程度。

Cabana说：“通过使用我们的新技术，不仅可以看到单个纳米颗粒在特定时间显示出的不同程度的反应，还可以了解在每个纳米粒子的内部的反应是如何进行的。”

原文来自University Of Illinois At Chicago

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