电池

X射线提供了对能源材料故障机制和寿命的关键洞察力，因为它们可以在电池运行中（原位地）或随时间推移提供电池结构、化学和成分的无损测量。正因如此，同步辐射方法对于现有锂离子电池的改进以及锂硫和锂空电池等新型能源方案的开发至关重要。

Sigray的X射线系统产品组合支持一系列最前沿的新型电池配方和材料研究，包括电池化学、成分和结构在循环过程中的变化。

电池中键长与充放电循环的关系

XAS 已成为表征电极结构和电子信息的标准方法，有助于了解控制特定电池化学反应的机制。Sigray的QuantumLeap既可以实现电催化剂化学反应的离位测定，也可以使用原位池研究反应中的化学变化。

Sigray 的应用说明描述了如何评估 NMC LIB中的Mn、Co和Ni键，发现Ni-O受到Jahn-Teller畸变的影响，而局部环境则得以保留。

NMC中Ni的FT-EXAFS，显示了NMC电极的充电和放电状态以及模型系统的比较

NMC电池中不同种类的钴元素

Sigray系统具有同步辐射线站水平的数据质量，能够区分NMC LIB中不同种类的钴元素，找到了钴的近边吸收结构(XANES)中的三个等吸收点(isobetic points)。而XANES的PCA和ITTFA重建表明，在四种NMC样品中发现了两类独特的钴。

NMC电池中Co物质的PCA分析

通过XAS进行电池化学研究

全球客户正在使用QuantumLeap开发新型电池材料。目前，一些团队正在发布高质量（K=12 或更高）的XANES 数据。以上海交通大学 (SJTU) 团队为例，他们报告了非常有前景的Ni-Zn电池的进展，即通过在ZnO阳极材料上涂碳点涂层来延长材料寿命。

新电池和多次循环后电池的XANES对比图

原位软包电池

软包电池是亚微米分辨率下最难成像的样品之一。由于软包电池过大，即使是领先的微米 CT和XRM也无法以合适的数据采集速度以及量化其微观结构变化所需的高分辨率 (0.5 µm) 进行成像。

3D电池结构缺陷

3D X射线显微镜已成为研究电池故障及其结构缺陷的标准。下图展示了使用Sigray EclipseXRM对完整电池进行表征的各种故障。更多信息和图表可参见下文，该论文发表在 Cell Reports上。该文献使用EclipseXRM（其上一代产品为 PrismaXRM）获取 X 射线显微镜图像，使用AttoMap获取微米XRF数据。

电池缺陷 [Qian et al, Cell Reports 2021]

使用EclipseXRM对电池阴极进行超高分辨率成像（0.21 μm体素）

枝晶的原位生长

Zn枝晶的形成会影响新型Zn离子电池的循环寿命。Sigray EclipseXRM提供了枝晶原位生长观察所需的分辨率和速度。

锌离子电池中的枝晶生长，在EclipseXRM上成像（注：上一代产品名为 PrismaXRM）

电极的3D微观结构演变

人们认识到充电造成的损坏和颗粒聚集会影响电极的长期可靠性和使用寿命，因此电极的微观结构越来越受到关注。TriLambdaXRM提供了观察这些变化所需的分辨率，得益于X射线的无损性，可以原位地观察这些变化。

完整电池的3D成像及电池原位观察

Sigray EclipseXRM可为大型样品和放置在原位池内的样品提供亚微米级高分辨率。EclipseXRM可在多个视场之间灵活切换，允许对电池进行各种尺度下表征 - 从全视场到详细的感兴趣区域成像 – 且无需拆开电池包装。这允许诸如小缺陷（裂纹、颗粒）和短路等问题的无损识别。

使用 Sigray PrismaXRM 对电池进行分层成像。GB Zan 发表。

样品由 J Zhang、F Monaco、G Qian、J Li、P Cloetens、P Pianetta和Y Liu提供。

过渡金属沉淀分布

高镍 LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC)阴极已成为下一代锂离子电池 (LIB) 中极具前景的阴极候选材料。使用高截止电压的电池也是一种提高能量和功率密度的方法。然而不幸的是，高压循环方法加剧了NMC阴极的退化，包括表面晶格重构和过渡金属溶解。Sigray的AttoMap microXRF揭示了Mn、Co和 Ni的扩散沉淀，以及它们在锂金属阳极上的空间分布。