在3D電池內部繪制納米級化學反應
芝加哥伊利諾伊大學和勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員已經發明了一種新技術，這種技術能夠在納米級三維空間中精確定位發生在鋰離子電池內部的化學反應的位置。這個研究結果發表在Nature Communications雜志上。
論文中的共同作者，UIC化學副教授Jordi Cabana說：“了解參與到化學反應的單個納米顆粒在化學反應中的確切位置有助于我們確定電池的運行方式，并揭示如何優化電池以使其更好的工作?！?/p>
當電池充電和放電時，其電極（發生能量反應產生能量的材料）交替被氧化和還原。通過這些反應發生的化學途徑能夠確定電池耗盡的速度。
可用于研究這些反應的工具只能提供在任何給定時間點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于電極中被氧化部分的位置的信息。 由于這些限制，無法判斷反應是否限制在電極的某個區域，例如在材料的表面，或者反應是否均勻地發生在整個電極。
Cabana說：“如果我們想判斷在電極的特定部分是否存在反應的傾向，那么更有效的辦法是判斷電極中單個納米顆粒內反應的位置，因為那樣您就可以理解這些局部化的反應與電池的性能的關系，如充電時間或有效充電周期次數?！?/p>
這種稱為X射線斷層攝影術的新技術是通過UIC化學家和加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室Advanced Light Source的科學家之間的合作來實現的。頂尖的光源科學家發明了儀器和測量算法，來幫助UIC團隊解答有關電池材料和行為識別的基本問題。
兩個團隊一起使用層析成像技術，在電池電極中觀察到了幾十個磷酸鐵鋰鹽的納米顆粒。研究人員使用高級光源的高通量同步加速器產生的相干納米級X射線束來掃描每個納米粒子。材料吸收光束的模式為研究人員提供了有關X射線束中納米顆粒中的鐵的氧化態的信息。因為他們能夠將光束移動幾納米并再次進行掃描，所以團隊可以重建納米顆粒的化學圖譜，分辨率約為11納米。并通過在空間旋轉材料，他們可以對每個納米顆粒的氧化態進行三維層析重建。換句話說，他們可以了解單個納米磷酸鐵鋰顆粒反應的程度。
Cabana說：“通過使用我們的新技術，不僅可以看到單個納米顆粒在特定時間顯示出的不同程度的反應，還可以了解在每個納米粒子的內部的反應是如何進行的?！?/p>
原文來自University Of Illinois At Chicago
化學慧納米材料系列產品
