看到电池中的“引擎盖下的东西”以推动下一代性能

Advanced Light Source的Beamline 8.0.1上的高效RIXS系统。

伯克利实验室X射线设施采用的技术在下一代电池研发中的使用越来越广泛。

从下一代智能手机到远程电动汽车以及改进的电网，更好的电池正在推动技术创新。为了使电池超越目前的性能，研究人员希望看到“引擎盖下的东西”，以了解电池材料的独特成分在表面下的行为。

这最终可能导致电池的改进，例如容量和电压的增加。

但是科学家使用的许多技术只能刮伤电池内部工作的表面，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的高灵敏度X射线技术吸引了越来越多的科学家，因为它提供了对电池化学的更深入，更精确的了解。

伯克利实验室高级光源（ALS）的研究员Wanli Yang说：“人们正在努力使电池的工作能力超越以往。”他采用了一种称为RIXS（共振非弹性X射线散射）的X射线技术），用于以电池和其他能源材料为重点的ALS实验。ALS产生的光束范围从红外线到X射线，以支持由使用该设施的世界各地的研究人员进行的各种同时进行的实验。

Yang应用于电池研究的技术称为高效mRIXS（映射为RIXS），引起了研究电极设计的研究人员的特别兴趣，电极的设计是电流流入和流出电池的电池组件。以前，RIXS主要是作为探索材料中基本物理学的工具而闻名的，而Yang则与理论家和其他学者合作，帮助将该技术应用于新的研究领域。

杨说：“科学家们试图在电池内部（不仅在表面，而且在整体中）来了解其氧原子和金属态。”“大多数常规技术都缺乏mRIXS所能提供的探针深度或化学敏感性。”

MRIXS可用于扫描电池电极样品，以测量电池充电或放电周期中特定点的不同元素的化学状态。它可以有效地测量流行的电池材料，例如比某些替代品更轻，更经济的“低级过渡金属氧化物”。

它可以告诉研究人员电池材料是否稳定稳定地吸收和损失电子和离子（带正电或带负电的原子），因此他们可以了解电池的降解速度和速度。

在电池运行期间，电池电极中的氧原子可以被还原（获得电子）和被氧化（失去电子），这被称为“氧还原”反应。在所谓的富含锂的电极的研究中，已经发现氧状态的这种变化会妨碍电池性能，这可能提供更多的锂存储量并因此具有更高的容量。

杨说，如果过程不可逆，“氧状态的变化可能会使电池不安全，并引发其他副反应。”“结构也可能崩溃。”

但是在电极内部发生可逆的氧氧化还原是一件好事。mRIXS技术可以检测氧的氧化还原状态是​​否可逆，还可以检测电极中的金属状态。

这种独特的功能也使mRIXS特别适用于研究高电压，高容量的电池材料，这些材料已成为电池研发的重点。

该技术通过在样品上缓慢地用X射线扫描来进行工作，该样品化学上保留了电池充电或放电周期中的某个点。现在，对每个样本进行一次地图扫描大约需要三个小时才能完成–这样的全图扫描将需要几天的时间才能将高效RIXS系统引入ALS。

他说：“该系统的独特性不仅在于数据收集时间，还在于其查看通常在X射线下不稳定的非常规化学状态的能力。”检测效率的提高对于在X射线引起的任何损害发作之前保存样品非常重要。这也是一项技术挑战，可以通过具有大大提高的X射线亮度的未来光源（例如ALS升级（ALS-U）项目）来解决，并且ALS科学家正在致力于进一步提高检测效率。

该技术已成为最近几个月发表的几项电池研究不可或缺的一部分：

2月发表的一项研究集中于商业上可行的锂电池材料中的氧还原态，该材料包含锂，镍，钴，锰和氧，用于称为阴极的电极。

电池材料中的氧气氧化还原状态也是2月份其他研究的重点，其中一项研究重点是包含钠，锂，锰和氧的钠电池材料。

富锂氧化物电极的更多研究已利用mRIXS来解决其氧化学反应：一月份的一项研究着重于减少与电压有关的电池衰减。三月份的另一项研究证明了具有可逆氧化学性质的材料的快速充电和放电操作。

2019年11月的一项研究还利用mRIXS研究了富含锂的硫化物电池材料中硫而不是氧的状态。

杨说，电池研发界对这种技术的越来越多的使用令人鼓舞，ALS的研究人员正在努力为这些实验建立更多的能力。

“由于需求量的不断增长和需求的增加，需求正在以极快的速度增长，并且ALS正在开发具有更高吞吐量的新型RIXS系统。”

Yang补充说：“将RIXS引入能源材料研究是新事物。”“如果十年后我们在ALS被公认为推动研究电池和其他能源材料的基本物理技术的人们，那我们应该为此感到自豪。“这就像一个新领域，社区迫切需要这种工具。”