Получая точное изображение деятельности в батарее, поскольку это заряжает и выбросы – трудная задача. Часто даже изображения рентгена не предоставляют исследователям достаточно информации о внутренних химических изменениях в материале батареи, потому что двумерные изображения не могут выделить один слой от следующего.
Предположите брать изображение рентгена многоэтажного офисного здания сверху. Вы видели бы столы и стулья друг сверху друга, нескольких этажей офисов, смешивающихся с одной картиной. Но было бы трудно знать точное расположение любого пола, уже не говоря об отследить, куда один человек двинулся в течение дня.«Это очень сложно, чтобы выполнить всестороннее исследование энергетических материалов на месте, которое требует точно отслеживающей химической фазы в эволюции, 3D и коррелирующей это к электрохимической работе», сказал Юн Ван, физик в Национальном Источнике света Синхротрона II, кто привел исследование.
Используя рабочий литий-ионный аккумулятор, Ван и ее команда отследили эволюцию фазы литиевого железного фосфата в электроде как заряженная батарея. Они объединили томографию (своего рода метод отображения рентгена, который показывает 3D структуру объекта) со спектроскопией X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) (который, чувствительно к химическим и местным электронным изменениям). Результатом были «пять размерных» изображений работы батареи: полное трехмерное изображение со временем и в различных энергиях рентгена.Чтобы сделать эту химическую карту в 3D, они просмотрели гальванический элемент в диапазоне энергий, которые включали «поглотительный край рентгена» элемента интереса в электроде, вращая образец полные 180 степени в каждой энергии рентгена, и повторяя эту процедуру на различных стадиях, поскольку батарея заряжала.
С этим методом, каждый трехмерный названный к пикселю voxel-продукты спектр, который похож на химически-определенный «отпечаток пальца», который определяет химикат и его степень окисления в положении, представленном этим voxel. Совмещение отпечатков пальцев для всего voxels производит химическую карту в 3D.
Ученые нашли, что во время зарядки литиевый железный фосфат преобразовывает в железный фосфат, но не по тому же самому уровню всюду по батарее. Когда батарея находится на ранней стадии зарядки, эта химическая эволюция происходит в только определенных направлениях.
Но поскольку батарея становится более очень заряженной, доходы эволюции во всех направлениях по всему материалу.«Были эти изображения, которые были взяты со стандартным двумерным методом, мы не будем в состоянии видеть эти изменения», сказал Ван.«Наша беспрецедентная способность непосредственно наблюдать, как преобразование фазы происходит в 3D, показывает точно, если есть новая или промежуточная фаза во время процесса преобразования фазы. Этот метод дает нам точное понимание, что происходит в электроде батареи и разъясняет предыдущие двусмысленности о механизме преобразования фазы», сказал Ван.
Ван сказал, что моделирование поможет команде исследовать способ, которым происходит распространение фазового перехода и как напряжение на материалы затрагивает этот процесс.Эта работа была закончена в теперь закрытом National Synchrotron Light Source (NSLS), который разместил микроскоп рентгена передачи (TXM), разработанный Ваном, использующим фонды САМКИ, сделанные доступный через Американский закон о восстановлении и реинвестировании 2009. Этот инструмент TXM будет перемещен к новому источнику света Брукхевена, NSLS-II, который производит рентген, в 10,000 раз более яркий, чем его предшественник.
И NSLS и NSLS-II – Офис САМКИ Научных Пользовательских Средств.«В NSLS-II эта работа может быть сделана невероятно эффективно», сказала она. «Стабильность луча предоставляет себя хорошей томографии, и поток так высок, что мы можем взять изображения более быстро и поймать еще более быстрые реакции».