圖1：利用同步輻射和中子技術(shù)原位表征鋰離子電池多級(jí)結(jié)構(gòu)

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，全球環(huán)境與能源問題日益嚴(yán)峻，開發(fā)清潔、安全、高效的新型儲(chǔ)能技術(shù)成為了研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。在所有的儲(chǔ)能方式中，鋰離子電池具有能量密度高、自放電低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等便攜式電子設(shè)備，取得了巨大的商業(yè)成功。然而近年來，隨著新能源汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，目前商業(yè)化的鋰離子電池已無法滿足市場(chǎng)的硬性需求。純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比，在性能、安全、續(xù)航等問題上仍然存在較大差距。因此，開發(fā)比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的高性能鋰離子電池迫在眉睫。

鋰離子電池的電化學(xué)性能取決于內(nèi)部微觀與宏觀結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)態(tài)耦合。正負(fù)極材料在鋰離子嵌入和脫出過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，一直是制約鋰離子電池進(jìn)一步升級(jí)的關(guān)鍵。因此，實(shí)現(xiàn)電極材料在充放電過程中的結(jié)構(gòu)表征，關(guān)于高性能鋰離子電池的開發(fā)和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。然而，對(duì)電池材料在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)表征一直困難重重。一方面，電化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)非平衡態(tài)過程，其中存在各種復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，這大大新增了材料結(jié)構(gòu)表征與分析的難度；而另一方面，這些結(jié)構(gòu)變化發(fā)生在不同的長(zhǎng)度尺度內(nèi)，很多微觀與宏觀的結(jié)構(gòu)變化相互耦合，如晶格畸變和極片裂紋，相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和副反應(yīng)等，它們共同決定了電池的最終性能。在過去的幾十年中，各種時(shí)間分辨的原位表征技術(shù)被開發(fā)和應(yīng)用于電池研究領(lǐng)域。其中，高能同步輻射X射線與高通量脈沖中子，因其互補(bǔ)的散射、光譜與成像能力，近年來逐漸發(fā)展為表征多尺度結(jié)構(gòu)變化的有力工具，并推動(dòng)了鋰離子電池研究與產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

近日，來自香港城市大學(xué)物理系劉奇團(tuán)隊(duì)從X射線/中子與材料的相互作用機(jī)理出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了各種同步輻射和中子原位表征方法、原位設(shè)備和電池設(shè)計(jì)、以及它們?cè)阡囯x子電池研究領(lǐng)域的應(yīng)用（圖1）。中子是一種中性的亞原子粒子，它與原子核直接作用；相比之下，X射線則是一種電磁波，它通過產(chǎn)生電磁場(chǎng)與原子的核外電子產(chǎn)生相互作用。盡管作用機(jī)理不同，當(dāng)X射線和中子穿過物質(zhì)時(shí)，均會(huì)發(fā)生彈性散射以及非彈性散。除此之外，具有特定能量的光子還會(huì)激發(fā)各種電子態(tài)，通過吸收和發(fā)射光子來實(shí)現(xiàn)占據(jù)態(tài)和非占據(jù)態(tài)的躍遷。利用這些相互作用與材料本征特性的耦合，使得人們逐漸打開了材料微觀結(jié)構(gòu)世界的大門。

例如，X射線和中子的彈性散射可以產(chǎn)生小角散射（SAS）、衍射（XRD或neutrondiffraction）及全散射（PDF）圖譜，它們分別可用于解析不同尺度范圍的結(jié)構(gòu)變化；另一方面，硬X射線和軟X射線的吸收（XAS）、發(fā)射光譜（XES），以及它們相對(duì)應(yīng)的成像技術(shù)（TXM等），則可以用來表征特定元素周圍的電子和成鍵狀態(tài)。在詳細(xì)介紹以上的表征機(jī)理后，作者又對(duì)原位電池和原位裝置的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的研究實(shí)例作了系統(tǒng)的闡述。最后，作者給出了同步輻射和中子原位表征技術(shù)在電池領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)展望。