5月23日，CIBF2018 第十三届中国国际电池技术交流会展览会在深圳会展中心开幕。加拿大Light Source公司Jigang Zhou博士在技术交流会上发表主题演讲。以下是演讲正文：

谢谢许博士。这页图总结了我们常用的三种软X射线成像，透射、荧光、电子成像，这三种方式各有各的特点，主要的共同点是化学成像，我做这个工作的时候，侧重点是关注和电化学生产工艺相关的问题。电池厂工作过很多年，我是同步辐射光源里面的电池工程师，有这样的对实际生产的兴趣和关注，同时因为我在加拿大光源是在工业运用分布，工作职责也是工业进行合作，利用同步辐射光，尤其是软X射线吸收谱和吸收谱成像去研究材料表征，电池材料表征只是我工作中的一部分，今天要和大家介绍的工作得到很多合作者的支持，尤其是加拿大光源成像王剑（音）博士的贡献很大。做材料先进表征的出发点是希望通过对结构、材料在电池实际体系中的变化去理解这个电池过程中的一些关键问题，比如说离子运动、电子运动，计生反应。我们强调和实际工业接近，我们强调一点是这种相互作用，包括正负极的相互作用，还有添加剂的相互作用，以及组成成分，活性物质和非活性物质的相互作用，还有非均匀性，这是我们的关注点。同步辐射光表征材料非常强大，有一个痛点，痛点是基石难以申请。工业应用小组对于每条线站的基石有20%的预留量，可以和工业合作，解决了工业应用的一个痛点。当我们把同步辐射光的各种技术硬X射线和软X射线等联合应用的时候，我们可以对电池里面非常复杂的涉及到非常广的空间尺度和时间尺度的这样一个多种过程，都能得到比较深入的了解，在咱们看软X射线成像研究电池表面前给大家分享一下。

我们利用硬X射线的高穿透能力去研究软包装电池里面第一步，最上面的图是软包装电池商品化的软包装电池在滥用情况下，正负极隔膜的相对位置以及正负级形貌的变化。左下角的图是负极在负极边缘锂化程度的用XRD的一个研究，右下角的图是利用荧光成像去研究软包装三元电池里面，经过高温循环以后，正极材料的变化，包括正极材料的脱落，溶解以及在负极的析出这样的分布，这样的一些工作。我们现在回到电池表界面，电池表界面是电池研究中的一个非常头痛的问题，非常重要，可是研究起来非常困难，因为结构复杂，而且不稳定。通过软X射线的吸收谱，研究碳酸锂，表面的SEI膜和表层的钛酸锂变化，不同核电状态和不同循环情况下的变化，我们发现不管是SEI膜还是钛酸锂表面都是虽核电量以及循环次数有一定关系，它不是静态的过程，而是动态的过程。我们对于高电压的镍锰酸锂用软X射线吸收谱进行研究，我们得到同样的体会，CEI以及CEI下面表层的镍锰酸锂以及循环次数有一定关系的现象，我们用软X射线吸收谱，有一个是投射，可以得到信息，一个是测荧光，可以得到表面100纳米的信息，测电子信号可以得到表面5-10纳米这样的结构的信息。得到多尺度表面结构的信息。

为什么要用软X射线？指X光能量从130-2500EV的光，软X射线对于轻的元素和过渡金属元素都非常敏感，这样就知道对于研究正负极以及电解液和导电剂、添加剂、粘结剂都可以用软X射线进行研究。软X射线吸收谱研究表界面，也不能忽视其他的化学成像技术对于表界面的理解，这个图比较各种化学成像的优缺点，从这个图里可以看出来，各种技术都有自己的优点和缺点，对一个特定的研究体系，我们需要考虑选择最适宜的研究技术。

我要强调的是：当我们考虑电池性能的时候，不能单纯考虑活性物质，我们需要考虑在多空电极里面，导电极、连接及以及导电及、粘结剂与活性物质联合作用，尤其是活性物质不同径面的差异，这是利用软X射线吸收谱能够做到的方面。

第一个例子，高电压充电的镍锰酸锂多孔电极，完全充电以后，在空气中静止，让它缓慢还原。镍锰酸锂还原程度的差异化的成像，从上到下三个图是电池的电极上部、中部和下部，左边是电极的形貌，如果看镍锰酸锂，每个部委之内颗粒之间也有区别，具体看我们已经发表的结果。速度很缓慢的还原情况下，这种还原程度的差异化是和镍锰酸锂的颗粒、形貌以及表面状态、表面像形成有关系，为什么有这种关系，导电剂、添加剂的分布、孔隙的分布，如果我们用软X射线的吸收谱成像去看这个镍锰酸锂的起始物质，这是没有经过电极制备的，可以看到实际上电极颗粒表面的差异化很明显，对各种元素进行成像，研究它的形貌，径面分布，以及与元素偏析相关性的研究，可以看出来它在各个径面和颗粒之间的差异很明显，这种差异化最终把材料用在电池里面，尤其是充放电循环以后肯定会引起我们前面观察到的差异。

最后一个技术，光电子成像研究电池的表界面，这个技术利用电极或者各种物质被X光吸收以后产生光电子，用电子透镜进行放大以后进行化学成像，一个例子是我们用这个技术去研究磷酸铁锂，大尺寸的磷酸铁锂电池，经过长期循环，失效性和失活性锂的相关性以及活性锂失去与PVDF和导电碳黑的失效，对于磷酸铁锂表面项的分离的影响都做一些相关性的工作。这个结果已经发表了，可以查阅文献对文章内容有详细的了解。

第二个例子，我们用PEEM技术用钴酸锂高压循环下，添加剂对电极的影响。这个工作在去年发表了，大家可以看文献。当我们用纳米尺度化学成像研究电池表界面，我们解决电池长期理论界的疑惑，氟化钴的生成是好还是坏？我们发现氟化锂的生成与否不是决定因素，而是氟化钴的分布，这个差别是非常大的。

最后一个例子，我们做钴酸锂电池完全充电以后，高温、热分解，因为这和电池的热失控，理解热失控的过程是有关系的。上面的图是小电流情况下，恒压恒流充电以后，钴酸锂表面的钴价态的分布，它对应的是核电态的分布，小电流情况下，我们钴酸锂表面已经有差异，这种差异可以和导电剂和粘结剂的分布相关起来。另外这个区域的电极进行加热，加热以后可以看到充电态的钴酸锂生成低价的钴，热分解的钴酸锂也出现分解的差异化，这种差异化和PVDF的分解和导电碳黑的分布都有相关性。

总结，当我们用同步辐射软X射线研究电池表界面的时候有三种选择，一是利用透射电解方式，二是利用荧光的方式去研究100纳米范围的信息，另外是用检测电子信号的方式可以对非常表面的东西进行研究。未来我们做现场Operando的实验，我们可以做原位、电化学的充放电，Peem适合研究全固态电池的表界面。

今天给大家汇报这里。

主持人：谢谢周博士的精彩报告。

提问：关于表界面，不管是成分的表征，现在只是涉及定性和分布这种，您对有没有定量的必要性，有没有考虑或者根据有些计算或者是他们的原理有没有一些更深的看法？

JigangZhou：问题很好，X射线吸收谱是可以定量化的技术，在这里给大家看一下，这个图里面可以看到它这个不同的价态的镍，首先它有吸收风位置的不同，同时吸收风，这里面绝对是吸收系数的测定，这个吸收系数在风之前是和镍锰酸锂周边的环境，碳氧的含量有关，吸收前后这样的和捏的含量成比例，我们通过测算知道捏的含量。在整个吸收谱里面的吸收风的面积，对于捏的L边的吸收谱，对应的是3D轨道的钛密度，得到很多定量化信息，你说得很对，只做定性对于理解电池表界面肯定不够。需要定量。

（根据速记整理，未经嘉宾审阅）