Получение точного изображения активности внутри батареи во время ее зарядки и разрядки — сложная задача. Часто даже рентгеновские снимки не предоставляют исследователям достаточно информации о внутренних химических изменениях в материале батареи, потому что двухмерные изображения не могут отделить один слой от другого.
Представьте себе рентгеновский снимок многоэтажного офисного здания сверху. Вы увидите столы и стулья друг на друге, несколько этажей офисных помещений сливаются в одну картину.
Но было бы сложно узнать точную планировку любого этажа, не говоря уже о том, чтобы отследить, где один человек двигался в течение дня.«Очень сложно провести углубленное изучение энергетических материалов на месте, которое требует точного отслеживания химической фазовой эволюции в 3D и сопоставления ее с электрохимическими характеристиками», — сказал Цзюнь Ван, физик из National Synchrotron Light Source II, который возглавлял исследование.Используя работающую литий-ионную батарею, Ван и ее команда отслеживали фазовую эволюцию фосфата лития-железа внутри электрода по мере зарядки батареи.
Они объединили томографию (своего рода метод рентгеновского изображения, который отображает трехмерную структуру объекта) со спектроскопией поглощения рентгеновских лучей у ближнего края (XANES) (которая чувствительна к химическим и локальным электронным изменениям). В результате получилось "пятимерное" изображение работы батареи: полное трехмерное изображение с течением времени и при различных энергиях рентгеновского излучения.Чтобы создать эту химическую карту в 3D, они сканировали аккумуляторную батарею в диапазоне энергий, который включал «край поглощения рентгеновского излучения» интересующего элемента внутри электрода, поворачивая образец на полные 180 градусов при каждой энергии рентгеновского излучения. , и повторяя эту процедуру на разных этапах зарядки аккумулятора. С помощью этого метода каждый трехмерный пиксель, называемый вокселем, создает спектр, который подобен химическому «отпечатку пальца», который идентифицирует химическое вещество и его степень окисления в позиции, представленной этим вокселем.
Объединение отпечатков пальцев для всех вокселей создает химическую карту в 3D.Ученые обнаружили, что во время зарядки фосфат лития-железа превращается в фосфат железа, но не с одинаковой скоростью по всей батарее. Когда аккумулятор находится на ранней стадии зарядки, это химическое развитие происходит только в определенных направлениях.
Но по мере того, как батарея становится более заряженной, эволюция идет во всех направлениях по всему материалу.«Если бы эти изображения были сделаны стандартным двухмерным методом, мы не смогли бы увидеть эти изменения», — сказал Ван.
«Наша беспрецедентная способность непосредственно наблюдать, как происходит фазовое преобразование в 3D, точно показывает, есть ли в процессе фазового преобразования новая или промежуточная фаза. Этот метод дает нам точное представление о том, что происходит внутри электрода батареи, и проясняет предыдущие неоднозначности относительно механизм фазового превращения ", — сказал Ван.
Ван сказал, что моделирование поможет команде исследовать, как происходит распространение фазового перехода и как нагрузка на материалы влияет на этот процесс.Эта работа была завершена на теперь закрытом Национальном источнике синхротронного света (NSLS), в котором размещался просвечивающий рентгеновский микроскоп (TXM), разработанный Вангом на средства Министерства энергетики, предоставленные в соответствии с Законом о восстановлении и реинвестировании США от 2009 года. переехал в новый источник света в Брукхейвене, NSLS-II, который дает рентгеновские лучи в 10 000 раз ярче, чем его предшественник. И NSLS, и NSLS-II являются объектами для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.
«В NSLS-II эта работа может выполняться невероятно эффективно», — сказала она. «Стабильность луча обеспечивает хорошую томографию, а поток настолько велик, что мы можем делать изображения быстрее и улавливать еще более быстрые реакции».