新技术揭示了电池内的3D纳米级化学反应

断层切断重建的结果。在708.2（左）和710.2EV（右）的三维（3D）光密度体积。重建的体素的大小为6.76.76.7nm3.3D卷×的×展示估计在708.2ev innaby傅里叶壳相关（FSC，蓝色实线带散射），带1/2位（红色实线）和0.5（洋红色虚线 - 线）阈值标准。沿最高分辨率平面（XY）的708.2EV中的断层图像的横截面。在710.2EV时相同位置的切片如图7所示。切片的位置标记为红色（沿着XY平面）和蓝色（切割沿XZ平面）箭头INA。在708.2和710.2EV上的较低分辨率平面（XZ平面）上的所得到的横截面示于由Red Arrow Inc所示的补充图8.dline配置文件中示出。黑色虚线是10-90％分辨率标准的指南。尺度条inaAndcindicate 500和100nm，分别为500和100nm .Young-Sang Yu，等，自然通信，DOI：10.1038 / s41467-018-03401-x

伊利诺伊大学的研究人员在芝加哥和劳伦斯伯克利国家实验室开发了一种新的技术，让他们确定纳米级水平的三维内部锂离子电池内发生的化学反应的位置。他们的结果在“自然通信”期刊上发表。

“了解参与这些反应的近纳米粒子内的化学反应内的精确位置有助于我们识别电池如何操作和揭示电池的优化方式，以使其更好地工作，”化学副教授乔迪卡纳表示，“化学副教授说纸上的UIC和CO-COMPECD作者。

作为电池电荷和放电，其电极 - 产生能量发生的反应的材料 - 交替氧化和降低。这些反应发生的化学途径有助于确定电池耗尽的速度。

三维（3D）化学状态映射​​。每个体素的光学密度（ODS）之间的分布分布图在708.2和710.2ev.bhistograph曲线图中，数据点INA的极性角度。Y-Axis表示为对数标度以获得更好的可见性。该图可以配有两个高斯分布的求和（黑色实线），其以低（品红色实线，27.48O）和高（Cyan实线，65.0O）极性角度对应于Li0.93Fepo4和Li0.02fepo4，分别为3D化学图（左）及其分段为三个化学相组（右）。LiFePO4（多数Fe2 +，LFP）和带α电的Lifepo4（多数Fe3 +，FP）的β存在分别分别为红色和蓝色（左）。根据极角，将体素分成三个不同的基团，表示每个体素的化学相组。红色，绿色和蓝色区域表示LFP富含α（> 70％LiFepo4），FP-Rich（> 70％Lifepo4），分β别混合（30-70％的LiFepo4，其α余的Lifepo4）结构域。β阴影颜色INA，结合化学分割的标准。秤栏，500nm.young-sang Yu，等，自然通信，DOI：10.1038 / s41467-018-03401-x

可用于研究这些反应的工具只能在任何给定的时间点提供有关电极平均成分的信息。例如，他们可以让研究人员知道电极的百分比已被永久氧化。但这些工具不能提供有关电极中氧化部分的位置的信息。由于这些限制，不可能判断是否将反应限制在电极的某个区域，例如材料表面，或者如果在整个电极中均匀地进行反应。

“能够辨别出在电极的特定部分中发生反应的趋势，并且更好的是，电极中近纳米粒子内的反应的位置是非常有用的，因为那么你可以理解这些Cabana表示，局部反应与电池的行为相关，例如其充电时间或其充电时间或其可以有效地进行的充电循环的数量。“

通过在加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的UIC和科学家在UIC和科学家的化学家之间的伙伴关系中，新技术来了。先进的光源科学家开发了仪器和测量算法，用于帮助回答有关UIC团队标识的电池材料和行为的基本问题。

每个粒子的激活率。留下分割以定义缺乏颗粒。尺度条，500nm.bvolume分布（带散射的黑色实线）图2中所示的inpidual颗粒（Magenta Bar，Lifepo4）和活性（橄β榄棒，15-100％ LiFepo4）颗粒作为β颗粒体积的函数，增量为200体素体积。每个范围内的平均颗粒体积也显示。每个体素的体×积×为6.76.76.7nm3。假设在一个标准偏差下拍摄的二项分分布（主动或无效），计算实验误差条。基于每个板的尺寸，将面部区域与厚度的尺寸进行比较。沿粒度厚度方向的体素的光密度（ODS）平均整个大面上的平均。通过平均OD的全宽半最大值计算颗粒的厚度。条形图具有相同的颜色定义ASB。Young-Sang Yu，等人，自然通信，DOI：10.1038 / s41467-018-03401-x

在一起，两支球队使用断层技术来看看由部分充电的电池电极回收的数十纳米粒子的锂 - 铁磷酸盐。研究人员使用了一连贯的纳米级光束，由高通量同步加速器在先进的光源处产生，以询问每个纳米颗粒。通过材料的吸收图案给出了研究人员关于X射线束中纳米颗粒中铁的氧化状态的信息。因为他们能够再次移动射线并再次运行他们的询问，因此团队可以重建纳米颗粒的化学图，其分辨率约为11纳米。通过在空间中旋转材料，它们可以产生每个纳米颗粒的氧化态的三维断层重建。换句话说，它们可以讲述磷酸锂磷酸磷酸磷酸近纳米颗粒的程度。

“使用我们的新技术，我们不仅可以看到inpidual纳米颗粒在给定时间显示不同的反应范围，而且还如何反应如何通过每个纳米颗粒的内部工作，”Cabana表示。

UIC化学家是由能源部资助的能源前沿研究中心的东北中心的成员，以调查锂离子电池如何工作，以便更好地，更长持久和更轻的设备。

特异性颗粒的代表性三维（3D）化学相分布。三种化学成分的异形表面的近颗粒的化学相分布。沿厚度方向（B，E，H）和沿大面（C，F，I）的横截面视图。横截面平面表示为洋红色和青色彩色盒子在3D Isosurface图中。红色，绿色和蓝色分别表现出LFP富含混合和FP的体素。每种颗粒的位置分别注意到图3AFORA，丹德格中的（I），（II）和（III）。所有比例条，50nm.young-sang yu，等人。，自然通信，DOI：10.1038 / s41467-018-03401-x

劳伦斯伯克利国家实验室的大卫·乔利是本文的合作作者。Young-Sang Yu，Maryam Farmand，Tolek Tyliszczak，Rich Celestre，Peter Denes，A. L. David Kilcoyne，Stefano Marchesini，Tony Warwick，John Joseph，Harinarayan Krishnan，Costa Leite和Lawarce Berkeley National实验室的Costa Leite和Howard Padmore;伊利诺伊大学春卓金芝加哥;斯克拉斯国家加速器实验室义金刘，梅洛公园，加利福尼亚州; Clare Gray，剑桥大学的FioNa Strobridge;和乌普萨拉大学的菲利普Maia，是本文的共同作者。

出版物：Young-Sang Yu等，“使用软X射线断层扫描的纳米级电池反应的三维定位”，自然通信，第9卷，物品编号：921（2018）DOI：10.1038 / S41467-018-03401-x