在3D電池內(nèi)部繪制納米級(jí)化學(xué)反應(yīng)
芝加哥伊利諾伊大學(xué)和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)發(fā)明了一種新技術(shù)，這種技術(shù)能夠在納米級(jí)三維空間中精確定位發(fā)生在鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)的位置。這個(gè)研究結(jié)果發(fā)表在Nature Communications雜志上。
論文中的共同作者，UIC化學(xué)副教授Jordi Cabana說(shuō)：“了解參與到化學(xué)反應(yīng)的單個(gè)納米顆粒在化學(xué)反應(yīng)中的確切位置有助于我們確定電池的運(yùn)行方式，并揭示如何優(yōu)化電池以使其更好的工作。”
當(dāng)電池充電和放電時(shí)，其電極（發(fā)生能量反應(yīng)產(chǎn)生能量的材料）交替被氧化和還原。通過(guò)這些反應(yīng)發(fā)生的化學(xué)途徑能夠確定電池耗盡的速度。
可用于研究這些反應(yīng)的工具只能提供在任何給定時(shí)間點(diǎn)電極的平均組成的信息。 例如，這些信息可以讓研究人員知道已經(jīng)被永久氧化的電池的百分比是多少。 但是這些工具不能提供關(guān)于電極中被氧化部分的位置的信息。 由于這些限制，無(wú)法判斷反應(yīng)是否限制在電極的某個(gè)區(qū)域，例如在材料的表面，或者反應(yīng)是否均勻地發(fā)生在整個(gè)電極。
Cabana說(shuō)：“如果我們想判斷在電極的特定部分是否存在反應(yīng)的傾向，那么更有效的辦法是判斷電極中單個(gè)納米顆粒內(nèi)反應(yīng)的位置，因?yàn)槟菢幽涂梢岳斫膺@些局部化的反應(yīng)與電池的性能的關(guān)系，如充電時(shí)間或有效充電周期次數(shù)。”
這種稱為X射線斷層攝影術(shù)的新技術(shù)是通過(guò)UIC化學(xué)家和加利福尼亞州勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Advanced Light Source的科學(xué)家之間的合作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。頂尖的光源科學(xué)家發(fā)明了儀器和測(cè)量算法，來(lái)幫助UIC團(tuán)隊(duì)解答有關(guān)電池材料和行為識(shí)別的基本問題。
兩個(gè)團(tuán)隊(duì)一起使用層析成像技術(shù)，在電池電極中觀察到了幾十個(gè)磷酸鐵鋰鹽的納米顆粒。研究人員使用高級(jí)光源的高通量同步加速器產(chǎn)生的相干納米級(jí)X射線束來(lái)掃描每個(gè)納米粒子。材料吸收光束的模式為研究人員提供了有關(guān)X射線束中納米顆粒中的鐵的氧化態(tài)的信息。因?yàn)樗麄兡軌驅(qū)⒐馐苿?dòng)幾納米并再次進(jìn)行掃描，所以團(tuán)隊(duì)可以重建納米顆粒的化學(xué)圖譜，分辨率約為11納米。并通過(guò)在空間旋轉(zhuǎn)材料，他們可以對(duì)每個(gè)納米顆粒的氧化態(tài)進(jìn)行三維層析重建。換句話說(shuō)，他們可以了解單個(gè)納米磷酸鐵鋰顆粒反應(yīng)的程度。
Cabana說(shuō)：“通過(guò)使用我們的新技術(shù)，不僅可以看到單個(gè)納米顆粒在特定時(shí)間顯示出的不同程度的反應(yīng)，還可以了解在每個(gè)納米粒子的內(nèi)部的反應(yīng)是如何進(jìn)行的。”
原文來(lái)自University Of Illinois At Chicago
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
