近日，中国科学院高能物理研究所多学科研究中心董康特聘青年研究员、常广才研究员，联合宁波东方理工大学孙学良院士团队，在材料领域顶尖期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表了题为“同步辐射X射线表征技术在纳米尺度揭示能源存储与转换材料的工作与失效机制（Unraveling Working and Degradation Mechanisms of Energy Storage and Conversion Materials at the Nanoscale Using Synchrotron X‐Ray Characterizations）”的观点文章。
高能所承建的第四代同步辐射光源——高能同步辐射光源（HEPS）已完成工艺验收并处于试运行阶段。该文章介绍了HEPS一期的多种代表性技术方法；并以最新研究进展为例，系统阐述了基于同步辐射，特别是利用第三/四代光源所具备的高亮度、高相干性等优势，如何在纳米尺度系统地研究能源材料内部形貌结构、晶体结构、电子结构与化学演变过程，揭示以锂电池和燃料电池为代表的能源存储与转化技术中关键材料的工作和失效机理。
能源材料（如锂电池正负极材料）的性能衰退，往往源于其内部在充放电过程中发生的纳米级“隐秘变化”——例如晶格扭曲，微裂纹萌生，或关键元素原子配位环境改变。采用传统表征手段常难于实现对这些变化的精准捕捉。针对该难题，文章重点介绍了三大类前沿表征技术：（1）高分辨成像：如透射X射线显微成像（TXM）和X射线荧光纳米成像，能以数十纳米的分辨率，清晰地呈现锂离子电池正极材料中镍、钴、锰元素价态在不同充放电阶段的演变规律，揭示材料内部元素三维分布和微裂纹萌生、扩展。（2）原子/晶体结构分析：如扫描纳米X射线衍射（SnXDM）和布拉格相干衍射成像（BCDI）技术，可精确测量材料晶格在电化学反应中的膨胀、收缩甚至不可逆“扭曲”。这些晶格缺陷累积正是导致材料性能衰减的关键内因之一。（3）电子结构探测：如利用高能量分辨荧光探测X射线吸收谱（HERFD-XAS）和共振非弹性X射线散射（RIXS）等手段，可探测材料中关键元素（如氧、镍、锰）的电子状态及晶格中关键元素的不可逆演化过程等。
单一技术往往只能揭示有限的信息。为此，研究团队提出了多模态和多尺度联合研究的策略，通过融合不同技术的优势，将纳米尺度的信息演变与材料的宏观电化学性能关联，从而构建从原子到器件，跨尺度、多种类信息的内在联系。最后，文章还讨论了当前所面临的挑战和潜在的机遇，包括降低X射线对样品的辐照损伤、设计适配的原位实验装置，及利用人工智能处理海量数据、自动识别材料缺陷、预测材料特性与性能等。
高能所博士后王志强为本文的第一作者，多学科中心董康特聘青年研究员、常广才研究员和宁波东方理工大学孙学良院士为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、高能所科技创新等项目的资助和支持。
图 同步辐射纳米尺度多模态表征技术摘要
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.72655
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