- 原位同步辐射X射线技术在锂离子电池研究中的应用
锂离子电池已被广泛应用于便携式电子设备和能量存储设备。过去已取得的进步表明，电池性能的优化离不开对基础科学的理解，如正负极材料的充放电机理，电池循环性能衰减原理及电极/电解液界面的演化等。由于电池材料多是空气敏感材料，对反应过程的原位监测就显得尤为重要。这样一来排除非原位实验过程中空气可能带来的影响，二来更加真实的模拟实际反应条件。基于同步辐射的X射线具有高穿透力，高亮度等独特优势，是研究材料在电化学过程中的晶体结构，电子结构，化学组成及形貌演变的强大手段。最近，布鲁克海文国家实验室的杨晓青教授，Seong-Min Bak博士和中科院物理所的禹习谦研究员为通讯作者在NPG Asia Materials 上发表了综述“In situ/operando synchrotron-based X-ray techniques for lithium-ion battery research” 。该综述的共同第一作者为Seong-Min Bak博士和Zulipiya Shadike博士。作者系统地综述了原位X射线技术的最新进展，包括原位X射线衍射（XRD），X射线吸收（XAS）, X射线对分布函数分析（XPDF）以及X射线扫描/透射电镜 (TXM/STXM) 技术。该综述中对每一种原位技术的实验方法，原位实验电池的设计与制备，原位电池窗口材料的选择，实验数据的分析以及每一种原位X射线技术的优缺点进行了翔实的讨论。
Seong-Min Bak, Zulipiya Shadike, Ruoqian Lin, Xiqian Yu, Xiao-Qing Yang, In situ/operando synchrotron-based X-ray techniques for lithium-ion battery research, NPG Asia Materials, 2018, DOI:10.1038/s41427-018-0056-z
2.多尺度原位/非原位表征技术在锂离子电池快速充放电及热稳定性研究中的应用
除了循环寿命，能量密度等之外，锂离子电池的倍率性能是一个很重要的指标。为了满足消费者对快速充放电的需求，电池应具备快速充放电特性，尤其是快速充电。而系统在大电流密度下（快充）的反应路径往往不同于小电流密度下的（慢充）。所以，深入研究快速充放电过程电极材料的晶体结构，电子结构和化学组成的变化是至关重要的。此外，电池的安全性能也是一个及其关键的指标。在锂离子电池正极材料中，大部分材料在高温下释放活性氧，会进一步与电解液反应导致电池的热失控。所以，研究电极材料的热稳定性并进一步改善是一项很重要的研究方向。在高倍率充放电以及加热过程中材料的结构变化收动力学因素控制，因此需要发展具有快速采集数据能量的表征手段。在过去几年中，杨晓青教授团队已成功将时间分辨X射线衍射和吸收(TR-XRD/TR-XAS)技术应用在锂离子电池正极材料地研究中并取得了很重要地进展。同时，通过结合多项表征手段，如TR-XRD,TR-XAS,TXM及STEM技术从原子尺度到宏观尺度系统研究了多种层状正极材料在不同充放电倍率下以及在高温情况下的结构稳定性。不久前，杨晓青教授和禹习谦研究员在Accounts of Chemical Research上发表了综述“Probing the Complexities of Structural Changes in Layered Oxide Cathode Materials for Li-Ion Batteries during Fast Charge–Discharge Cycling and Heating”。该综述的共同第一作者是胡恩源（Enyuan Hu）博士和王雪龙 (Xuelong Wang)。该综述中总结并讨论了过去几年中杨晓青教授团队在研究层状化合物动力学性能以及热稳定性方面取得的主要成果，尤其是重点介绍了层状化合物正极材料在不同充放电倍率和高温条件下的晶体结构演变和电子结构演化等。
Li1-xNi1/3Co1/3Mn1/3O2 材料在不同充电倍率时的时间分辨XRD图 [3]
Enyuan Hu, Xuelong Wang, Xiqian Yu and Xiao-Qing Yang, Probing the Complexities of Structural Changes in Layered Oxide Cathode Materials for Li-Ion Batteries during Fast Charge–Discharge Cycling and Heating, Accounts of Chemical Research, 2018, DOI:10.1021/acs.accounts.7b00506
3.原位/非原位表征技术在钠离子电池研究中的应用
由于钠元素在地球中的资源丰富，价格低廉，近年来钠离子电池的发展得到了长足的发展并且成为了极具发展潜力的下一代储能设备。跟锂离子电池类似，对钠离子电池来说发展具有高能量密度，长循环寿命的电极材料也是及其关键的。从原子尺度到宏观尺度系统研究电极材料在循环过程中的结构，形貌变化对电池体系的优化以及设计新型材料提供很重要的实验基础。此外，研究电极/电解液界面在循环过程中的演变，固体电解质(SEI)层的组分对钠离子电池的发展至关重要。原位/非原位技术在研究钠离子电池电极材料平衡态和非平衡态过程中的起到了很关键的作用。因此，布鲁克海文国家实验室杨晓青教授，复旦大学材料系的周永宁（Yong-Ning Zhou）教授及中科院物理所的禹习谦研究院为通讯作者在Advanced Energy Materials 上发表了综述“Advanced Characterization Techniques for Sodium-Ion Battery Studies”。该综述的共同第一作者是Zulipiya Shadike博士和赵恩岳（Enyue Zhao）。该综述中对非原位/原位表征技术在钠离子电池中的应用进行了全面总结。通过典型的例子系统地对比了每一种原位/非原位技术所提供的重要信息以及每一种技术的的优缺点。
Zulipiya Shadike, Enyue Zhao, Yong-Ning Zhou, Xiqian Yu, Yong Yang, Enyuan Hu, Seongmin Bak, Lin Gu, and Xiao-Qing Yang, Advanced Characterization Techniques for Sodium-Ion Battery Studies, Advanced Energy Materials, 8 (2018), DOI:10.1002/aenm.201702588
杨晓青教授课题组简介：
杨晓青教授课题组主要利用原位/非原位同步辐射X射线或中子去研究能量储存和转化领域中的关键科学问题，如快速充放电过程中电化学反应机理，具有复杂结构的正负极材料表征，以及电极/电解液的界面问题。所运用的技术包括X-ray diffraction, X-ray Absorption, X-ray/neutron pair distribution function analysis 和 Transmission X-ray microscopy等。近年来在Nature Energy, Nature Materials, Nature communication, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, NPG Asia Materials, Accounts of Chemical Research, Nano Letters, Chemistry of materials 等国际知名期刊发表了多篇论文及评述。
