圖1：利用同步輻射和中子技術原位表征鋰離子電池多級結構

隨著人類社會的發(fā)展，全球環(huán)境與能源問題日益嚴峻，開發(fā)清潔、安全、高效的新型儲能技術成為了研究者們關注的焦點。在所有的儲能方式中，鋰離子電池具有能量密度高、自放電低、循環(huán)壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)點，已廣泛應用于手機、平板電腦等便攜式電子設備，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的硬性需求。純電動汽車與傳統(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、結構穩(wěn)定的高性能鋰離子電池迫在眉睫。

鋰離子電池的電化學性能取決于內(nèi)部微觀與宏觀結構變化的動態(tài)耦合。正負極材料在鋰離子嵌入和脫出過程中的結構穩(wěn)定性問題，一直是制約鋰離子電池進一步升級的關鍵。因此，實現(xiàn)電極材料在充放電過程中的結構表征，關于高性能鋰離子電池的開發(fā)和設計至關重要。然而，對電池材料在工作狀態(tài)下的結構表征一直困難重重。一方面，電化學反應是一個非平衡態(tài)過程，其中存在各種復雜的物理和化學變化，這大大新增了材料結構表征與分析的難度；而另一方面，這些結構變化發(fā)生在不同的長度尺度內(nèi)，很多微觀與宏觀的結構變化相互耦合，如晶格畸變和極片裂紋，相結構轉(zhuǎn)變和副反應等，它們共同決定了電池的最終性能。在過去的幾十年中，各種時間分辨的原位表征技術被開發(fā)和應用于電池研究領域。其中，高能同步輻射X射線與高通量脈沖中子，因其互補的散射、光譜與成像能力，近年來逐漸發(fā)展為表征多尺度結構變化的有力工具，并推動了鋰離子電池研究與產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

近日，來自香港城市大學物理系劉奇團隊從X射線/中子與材料的相互作用機理出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了各種同步輻射和中子原位表征方法、原位設備和電池設計、以及它們在鋰離子電池研究領域的應用（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)生電磁場與原子的核外電子產(chǎn)生相互作用。盡管作用機理不同，當X射線和中子穿過物質(zhì)時，均會發(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激發(fā)各種電子態(tài)，通過吸收和發(fā)射光子來實現(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構世界的大門。

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構變化；另一方面，硬X射線和軟X射線的吸收（XAS）、發(fā)射光譜（XES），以及它們相對應的成像技術（TXM等），則可以用來表征特定元素周圍的電子和成鍵狀態(tài)。在詳細介紹以上的表征機理后，作者又對原位電池和原位裝置的設計以及相應的研究實例作了系統(tǒng)的闡述。最后，作者給出了同步輻射和中子原位表征技術在電池領域應用的技術展望。