用3-D映射电池内的纳米级化学反应

伊利诺伊大学芝加哥分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员开发出一种新技术，可以让他们在纳米级别的三维空间中精确定位锂离子电池内发生的化学反应的位置。他们的研究结果发表在Nature Communications杂志上。

“了解参与这些反应的单个纳米粒子内化学反应的精确位置有助于我们确定电池如何运作，并揭示电池如何优化以使其更好地工作，”化学副教授Jordi Cabana说。 UIC和论文上的共同作者。

当电池充电和放电时，其电极 - 产生能量的反应发生的材料 - 被交替氧化和还原。这些反应发生的化学途径有助于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关于任何给定时间点的电极平均组成的信息。例如，他们可以让研究人员知道电极的永久氧化百分比。但是这些工具不能提供有关电极中氧化部分位置的信息。由于这些限制，不可能判断反应是否局限于电极的某个区域，例如材料的表面，或者反应是否在整个电极中均匀地发生。

“能够判断是否存在电极特定部位发生反应的倾向，更好的是，电极中各个纳米粒子内的反应位置将非常有用，因为这样你就可以理解那些局部反应与电池的行为有关，例如充电时间或它可以有效进行的充电循环次数，“Cabana说。

这项名为X射线ptychographic断层扫描的新技术是由UIC的化学家和加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的Advanced Light Source的科学家合作完成的。Advanced Light Source的科学家开发了仪器和测量算法，用于帮助回答有关UIC团队确定的电池材料和行为的基本问题。

两个团队一起使用层析成像技术来观察从部分充电的电池电极回收的数十个磷酸铁锂纳米颗粒。研究人员使用由先进光源中的高通量同步加速器产生的相干纳米级X射线束来询问每个纳米粒子。材料对光束的吸收模式为研究人员提供了有关X射线束中纳米粒子中铁的氧化态的信息。因为他们能够将光束移动几纳米并再次进行询问，团队可以重建纳米粒子的化学图，分辨率约为11纳米。通过在太空中旋转材料，他们可以创建每个纳米粒子的氧化态的三维断层扫描重建。换句话说，它们可以说明磷酸铁锂的单个纳米颗粒已经反应的程度。

“使用我们的新技术，我们不仅可以看到单个纳米粒子在给定时间显示出不同程度的反应，而且还看到反应如何通过每个纳米粒子的内部，”Cabana说。