论文标题：Lithium-Ion Batteries under the X-ray Lens: Resolving Challenges and Propelling Advancements

论文链接：https://www.mdpi.com/2412-382X/8/2/10

期刊名：Quantum Beam Science

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/qubs

一、引言

锂离子电池已广泛应用于消费电子、电动汽车和储能系统，然而其能量密度提升与安全性之间的矛盾日益突出。热失控、容量衰减和循环寿命不足等问题的根源在于电池充放电过程中复杂的物理化学反应难以实时观测。常规电化学测试只能获取电压、电流等宏观参数，无法直接揭示电极晶体结构演化、锂离子迁移路径和内部微结构损伤。

X射线表征技术以其高穿透性、无损检测和多尺度分析能力，成为破解电池“黑箱”的关键工具。Mahdieh Samimi等学者在Quantum Beam Science期刊发表的综述文章Lithium-Ion Batteries under the X-ray Lens: Resolving Challenges and Propelling Advancements，系统总结了X射线衍射（XRD）、X射线断层扫描（XRT）和透射X射线显微镜（TXM）在锂离子电池研究中的最新进展。本文对该综述的核心内容进行介绍，旨在为从事电池材料、电化学安全和无损检测的读者提供参考。

二、材料与方法

综述引用的案例主要基于同步辐射光源（如ALS、ESRF、Spring-8）和高性能实验室X射线设备，实验模式涵盖非原位、原位和操作中三类。核心方法是系统梳理并对比三种X射线表征技术在锂离子电池研究中的应用原理与典型案例：

原位X射线衍射（in situ XRD）：在电池充放电过程中连续采集衍射信号，利用布拉格定律分析电极材料的晶格参数变化、相变路径和中间相生成。通常采用同步辐射光源或实验室X射线源，配备透射或反射模式的电化学样品池。

X射线计算机断层扫描（XRT/CT）：通过多角度投影重建电极或电芯的三维微观结构。空间分辨率可达微米至亚微米级，用于无损观察颗粒裂纹、锂枝晶生长、隔膜穿刺和电极脱层等机械失效。

透射X射线显微镜（TXM）：结合了显微成像与X射线能谱（XANES）的化学敏感分析能力，空间分辨率可达数十纳米。可同时获得形貌像和元素价态分布图，用于研究纳米尺度的界面反应和局部劣化。

三、分析与讨论

XRD揭示的结构演化与相变

原位XRD研究表明，在富镍正极材料（如NMC811）的首次充电过程中，晶体结构由层状相向岩盐相转变的临界电压阈值比传统认识更低。同步辐射XRD以分钟级时间分辨率捕捉到H1→H2→H3的连续相变路径，并发现H3相的形成与晶格沿c轴的急剧收缩（高达5%）直接关联，该收缩是导致颗粒微裂纹萌生的诱因。对于石墨负极，原位XRD清晰显示了锂化过程中LiC₆、LiC₁₂等中间相的顺序生成及完全锂化时的体积膨胀（约10%）。这些结构信息对设计缓冲层和应力释放策略具有直接指导意义。

XRT实现的三维失效分析

XRT研究揭示，经过100次循环后的商用18650电池，正极颗粒中出现贯穿式微裂纹的比例约为初始状态的3倍，且裂纹密度与容量衰减呈现强线性相关性（R²＞0.9）。对于热失控案例，原位XRT首次在毫米级分辨率下捕捉到了锂枝晶穿刺隔膜的全过程：从负极表面局部突起（约10 μm）到穿透聚烯烃隔膜（厚度约25 μm），再到与正极接触引发局部短路，整个过程仅需数秒。这一发现直接推动了陶瓷涂层隔膜和电解液添加剂的工程化改进。

TXM绘制的化学状态图谱

TXM结合X射线吸收近边结构（XANES），能够以50 nm的空间分辨率绘制单个颗粒内部的价态分布。在过充条件下，TXM显示正极颗粒边缘的Ni⁴⁺浓度显著高于核心区，形成“核-壳”价态梯度，这种不均匀性导致了局部应力和氧析出，是热失控的早期信号。对于硅负极，TXM观察到了充放电循环中孤立的无定形硅岛的形成，这些硅岛失去电接触，解释了硅负极的不可逆容量损失机制。

X射线方法的技术局限与应对

综述也客观指出X射线技术的局限性：同步辐射光源机时稀缺且成本高昂；X射线辐照可能诱导锂盐分解或隔膜老化，产生伪影；高时间分辨（毫秒级）与高空间分辨（纳米级）难以兼顾。针对这些问题，研究者提出了实验室级紧凑型X射线源与深度学习图像增强相结合的新策略，正在逐步缩小与同步辐射的差距。

四、结论

本综述系统评估了X射线衍射、X射线断层扫描和透射X射线显微镜在锂离子电池研究中的应用现状与成效。主要结论包括：

（1）原位XRD能够实时追踪电极材料在充放电过程中的相变路径，为抑制结构衰退提供依据；

（2）XRT三维成像揭示了微裂纹、锂枝晶等机械失效与热失控的直接因果关系；

（3）TXM将化学价态信息与纳米尺度形貌关联，精准定位局部劣化“病灶”。

尽管X射线方法存在成本和辐照效应等局限，但其作为唯一能无损透视电池内部动态过程的技术，已在解决安全性和寿命问题上展现出不可替代的价值。未来结合多模态表征和人工智能数据分析，X射线之眼将为下一代高安全、长寿命电池的设计提供更精准的导航。

引用格式：

Samimi, M.; Saadabadi, M.; Hosseinlaghab, H. Lithium-Ion Batteries under the X-ray Lens: Resolving Challenges and Propelling Advancements. Quantum Beam Sci. 2024, 8, 10. https://doi.org/10.3390/qubs8020010

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Klaus-Dieter Liss

Quantum Beam Science (QuBS, ISSN 2412-382X) 是一个国际性开放获取期刊。主要关注量子束在广义材料研究和表征方面的应用，以及量子束源、仪器和设备的发展。期刊创刊于2017年，目前已被Scopus (Elsevier)、Emerging Sources Citation Index (ESCI)—Web of Science (Clarivate Analytics)、CAPlus/SciFinder、Inspec、Astrophysics Data System等数据库收录：https://www.mdpi.com/journal/qubs/indexing

2024 Impact Factor：1.7

2024 CiteScore：2.8