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同步辐射及其在无机材料中的应用进展
刘云鹏, 盛伟繁, 吴忠华
无机材料学报    2021, 36 (9): 901-918.   DOI:10.15541/jim20200703
摘要   (1696 HTML95 PDF(pc) (25262KB)(2589)  

同步辐射是环形加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁铁时, 沿电子轨道切线方向发射的电磁辐射。作为一类平台型科技基础设施, 同步辐射光源对无机材料的研究和发展起到了重要支撑作用。同步辐射实验技术已经成为现代科学技术不可或缺的研究手段, 无机材料研究是同步辐射技术的主要应用领域之一。相对于用于材料研究的常规光源来说, 同步辐射技术研究无机材料有以下优势: 1)获取的数据质量更高; 2)空间分辨和时间分辨的能力更强; 3)原位和材料服役环境更易模拟; 4)多尺度、多方面、多种类的结构信息同步获取; 5)探测新的结构特性更有可能。同步辐射实验技术有助于解决无机材料领域中的一些关键科学问题, 从而极大地推动了无机材料的研究进展。本文首先简要介绍了同步辐射光源的现状, 以及国内现有三个同步辐射装置: 北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)、上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)和国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)。然后, 从X射线衍射、散射、谱学、成像等四个方面, 列举了同步辐射技术在无机材料研究中的应用实例。最后, 对同步辐射光源和结构表征技术及其在无机材料中的应用进行了总结与展望。



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图18 X射线断层成像技术解析的颗粒三维元素分布[67]
正文中引用本图/表的段落
在锂离子电池材料方面, 具有高比容量、长循环寿命、低毒性和廉价的镍钴锰三元电极材料以及钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂及锂钴锰镍复合氧化物电极材料一直是研究的热点。准确测定电池电极材料中各元素含量及其空间分布对于提高电池的能量密度和循环性能, 延长电池寿命, 以及优化设计高性能电池电极材料等都具有十分重要意义。LiNi1-x-yMnxCoyO2是一种技术上重要的阴极材料, 但在各种运行条件下, 特别是在富镍成分中, 通常会发生从层状到岩盐结构的表面重构。这种现象导致其高压循环性能变差, 阻碍了其能量密度的提高。Lin等[67]利用X射线断层成像技术研究发现: 多级结构的LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2球形颗粒表面出现具有贫Ni富Mn的局部元素偏析现象, 如图18所示。这一研究揭示了颗粒表面贫Ni富Mn的成分分布是造成这个材料循环性能提高的原因, 也为以后电池材料性能的进一步提高奠定了基础。此外, Wei等[68]也对LiNi1-x-yMnxCoyO2电极材料进行了纳米尺度的X射线谱学成像技术研究。他们利用在不同能量下采集的一系列图像上对应像素点的灰度值获得基于该像素的吸收谱曲线, 从而获取元素成分及价态的空间分布信息, 如图19所示。这一研究有助于人们理解电池优异性能的物理机制。
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Metal segregation in hierarchically structured cathode materials for high-energy lithium batteries
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2016
... 在锂离子电池材料方面, 具有高比容量、长循环寿命、低毒性和廉价的镍钴锰三元电极材料以及钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂及锂钴锰镍复合氧化物电极材料一直是研究的热点.准确测定电池电极材料中各元素含量及其空间分布对于提高电池的能量密度和循环性能, 延长电池寿命, 以及优化设计高性能电池电极材料等都具有十分重要意义.LiNi1-x-yMnxCoyO2是一种技术上重要的阴极材料, 但在各种运行条件下, 特别是在富镍成分中, 通常会发生从层状到岩盐结构的表面重构.这种现象导致其高压循环性能变差, 阻碍了其能量密度的提高.Lin等[67]利用X射线断层成像技术研究发现: 多级结构的LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2球形颗粒表面出现具有贫Ni富Mn的局部元素偏析现象, 如图18所示.这一研究揭示了颗粒表面贫Ni富Mn的成分分布是造成这个材料循环性能提高的原因, 也为以后电池材料性能的进一步提高奠定了基础.此外, Wei等[68]也对LiNi1-x-yMnxCoyO2电极材料进行了纳米尺度的X射线谱学成像技术研究.他们利用在不同能量下采集的一系列图像上对应像素点的灰度值获得基于该像素的吸收谱曲线, 从而获取元素成分及价态的空间分布信息, 如图19所示.这一研究有助于人们理解电池优异性能的物理机制. ...

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2018
... 在锂离子电池材料方面, 具有高比容量、长循环寿命、低毒性和廉价的镍钴锰三元电极材料以及钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂及锂钴锰镍复合氧化物电极材料一直是研究的热点.准确测定电池电极材料中各元素含量及其空间分布对于提高电池的能量密度和循环性能, 延长电池寿命, 以及优化设计高性能电池电极材料等都具有十分重要意义.LiNi1-x-yMnxCoyO2是一种技术上重要的阴极材料, 但在各种运行条件下, 特别是在富镍成分中, 通常会发生从层状到岩盐结构的表面重构.这种现象导致其高压循环性能变差, 阻碍了其能量密度的提高.Lin等[67]利用X射线断层成像技术研究发现: 多级结构的LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2球形颗粒表面出现具有贫Ni富Mn的局部元素偏析现象, 如图18所示.这一研究揭示了颗粒表面贫Ni富Mn的成分分布是造成这个材料循环性能提高的原因, 也为以后电池材料性能的进一步提高奠定了基础.此外, Wei等[68]也对LiNi1-x-yMnxCoyO2电极材料进行了纳米尺度的X射线谱学成像技术研究.他们利用在不同能量下采集的一系列图像上对应像素点的灰度值获得基于该像素的吸收谱曲线, 从而获取元素成分及价态的空间分布信息, 如图19所示.这一研究有助于人们理解电池优异性能的物理机制. ...

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