一文了解同步辐射X射线成像技术！

本文介绍了同步辐射X射线成像技术的分类：全场透射成像（微米和纳米分辨）、扫描成像、相干衍射成像，及各类技术的原理和应用。读者可了解该技术的分类情况、各类技术的工作机制。

自1947年Elder等人首次发现同步辐射现象以来，同步辐射装置经历了四代演变，广泛应用于材料、能源、环境等基础研究领域，发展出X射线衍射、谱学、成像等技术。近年来，同步辐射X射线成像技术凭借高亮度、广谱性及能量可调等优点，深受研究人员青睐。

成像技术分为全场透射成像（微米和纳米分辨）、扫描成像和相干衍射成像三类。近边谱学成像（XANES成像）结合成像与吸收谱技术，利用X射线能量的连续可调性，在元素吸收边能量附近采集样品的二维或三维成像信息，获得元素价态的空间分布。

随着硬件和光源亮度提升，飞扫技术（fly-scan）快速发展，显著降低了扫描成像的数据采集时间。在此基础上，X射线探针扫描谱学成像、X射线相干衍射谱学成像（主要基于ptychography方法）等技术也在不断发展和应用。

如下图所示，全场微米分辨成像技术实验装置主要包括X射线源、样品台、闪烁体和探测器等部件。该技术装置简单，数据采集便捷，可在单次曝光下迅速获取样品二维投影信息，具有较高的时间分辨率，能够对较大体积样品中的动态结构变化进行非破坏性检测，空间分辨能力可达微米/亚微米级别，适用于电池模组、单体电芯、软包电池等样品的原位无损检测。

基于X射线与物质的相互作用机理，全场微米分辨成像分为吸收成像和相位衬度成像。

吸收成像利用X射线穿过样品后的不同衰减程度产生具有不同吸收衬度的图像，适用于对X射线吸收能力强的结构成像。然而，电池中常用的碳和锂等轻元素对硬X射线吸收较弱，图像对比度低，难以分辨。相位衬度成像则借助X射线穿过样品时产生的相位变化来增强对比度，能够更好地成像轻元素样品，提高不同结构细节的对比度。

全场微米分辨成像视场范围大，可非破坏性检测较大体积样品中的缺陷，帮助优化电池产品质量和可靠性。电池制造过程复杂，易产生各种结构性缺陷，如元件变形、毛刺及杂质颗粒等。

Qian等人使用该技术分析了18650锂电池未能通过质量检测的原因，发现存在多种结构缺陷，如电极偏转、负极耳凸起及随机分布的杂质。这些缺陷不仅降低电池性能，还可能引发短路和安全问题。

DOI：10.1016/j.xcrp.2021.100554

全场透射X射线纳米成像（TXM）主要包括几何放大成像和波带片放大成像。

几何放大成像

几何放大成像利用聚焦元件（如波带片、K-B镜和复合折射透镜）将X射线束聚焦在样品前，通过几何放大作用获得放大图像（见下图）。聚焦光斑尺寸决定了空间分辨率，目前K-B镜可将光斑缩小至十几纳米至几十纳米。该方法对系统稳定性要求高，因高空间分辨对应小光斑尺度。

DOI：10.1063/1.5026462

波带片放大成像

波带片放大成像则利用波带片将穿过样品的X射线放大至探测器可探测的微米量级（见下图）。其分辨率取决于波带片最外环宽度，视场大小取决于波带片成像视场，成像效率取决于波带片最外环高宽比。

近年来，微加工技术的进步使得大高宽比的高效率波带片制备成为可能，推动了该技术的发展。波带片放大成像可进行吸收衬度成像和泽尼克相位衬度成像。

DOI：10.1038/ncomms5570

同步辐射X光的高穿透力和高亮度优势使TXM能够对电池材料进行非破坏性的表征测试，研究材料颗粒内部的结构变化过程。镍钴锰三元正极（NMC）材料因其比容量高、循环寿命长和廉价等优势得到了广泛的应用。

Xia等人借助TXM以非破坏性的方式重建了NMC颗粒的三维结构，分析了不同充放电速率对于性能的影响（如下图）。展示了NMC电极在不同循环速率下，于2.5 V至4.5 V之间循环50次后的TXM成像结果。

研究揭示了更高的充放电速率会增加颗粒出现开裂等缺陷的程度。锂电池故障往往始于电极颗粒的这些缺陷及其引发的机械应力，应力释放后可能在颗粒中产生裂纹。

DOI：10.1016/j.nanoen.2018.09.051

下图展示了扫描成像原理，扫描成像需要使用聚焦元件例如波带片、K-B镜、多层膜劳埃透镜（multilayerlloydlen,MLL）元件等将X射线聚焦成很小的光斑，然后将样品放在焦点处通过聚焦X射线对样品的感兴趣区域进行逐点扫描测试，扫描成像的空间分辨率等于聚焦光斑的尺寸。

扫描成像同样可以与X射线吸收谱学技术结合来获得电池材料的化学态空间分布信息。与全场成像相比较，扫描成像获得一张二维投影图像需要进行平面内的逐点扫描，相同分辨率情况成像视场越大需要扫描的点数越多，数据采集的时间就会越长。

尤其在采集三维信息时，因为需要通过采集一系列特定角度上的二维图像才能进行三维重建，这将显著增加所需的数据采集时间。因此，可以通过选择合适的分辨率（聚焦光斑大小）和采用飞扫模式来提高扫描成像的数据采集效率。扫描成像在采集样品结构信息的同时，还能够同时采集微区荧光、微区衍射或吸收谱学信息，这是全场X射线成像实验方法不具备的重要优势。

DOI：10.1039/d2sc04397a

Zhang等人利用同步辐射X射线扫描成像技术对LiCoO₂正极颗粒的化学态空间分布进行了原位光谱和显微分析。针对同一区域分别在初始状态和充电至4.5 V后，利用同步辐射X射线扫描成像技术原位表征Co和O元素的化学态空间分布（如下图）。

充电至4.5 V后，单个颗粒内部的氧化态分布出现不均匀性，活性颗粒内部与活性颗粒之间存在着非均匀反应，并存在非活性颗粒。表明不均匀的化学反应会阻碍活性物质参与反应的程度，进而影响电池的性能。

DOI：10.1038/s41598-023-30673-1

相干衍射成像（coherentediffractionimaging,CDI）通过相干X射线照射样品，并与样品相互作用产生的衍射信号，在样品后面使用探测器得到样品的远场衍射图像，最后通过解析衍射图像重建出样品的高分辨率图像。CDI成像技术最突出优点是极高的空间分辨率，理论上能够达到几纳米乃至原子级别的分辨率。

相干衍射成像已从开始的平面波CDI，逐步发展演变出多种能够适应多种不同场景需求的先进成像技术（如下图）：布拉格CDI、扫描CDI（又称叠层成像，Ptychography）、菲涅尔CDI以及反射CDI，为揭示电池材料的反应机制及指导下一代电池材料的设计提供有力的工具。

近年来，基于飞扫技术的发展和光源亮度的提高，ptychrography和谱学结合的相干衍射谱学成像技术也在不断发展中。

DOI：10.1126/science.aaa1394

相干衍射成像作为一种超高分辨率成像手段，能够分析纳米材料结构演变的规律，如晶体材料的应力变化、相变等，比较适合研究电池中晶体结构的演变特征。

Wang等人通过采用原位三维布拉格相干X射线衍射（BraggcoherentX-raydiffractionimaging, BCDI）技术，在实际运行环境中对纳米颗粒进行了成像，观察到在充电至4.4V时，Li₂MnO₃纳米颗粒中晶格发生了畸变。

这一发现揭示了在高电压充电过程中，Li₂MnO₃内部会发生非均匀应变，进而引发了循环过程中结构与性能的衰减。

Tsai等人对纳米NMC正极颗粒在原始和长循环之后进行了高分辨率叠层成像（如下图）。发现原始颗粒显示出均匀交替的同心层，并在第一次充电后的颗粒上初步产生孔隙整体扩大以及裂纹形成的现象。这些内部形态变化在长时间循环后，导致颗粒内出现裂纹甚至完全断裂，破坏了颗粒的完整性，进而引起电池性能衰退。

DOI：10.1016/j.isci.2018.12.028

本文阐述了同步辐射X射线成像技术的分类：包括全场透射、扫描、相干衍射成像的原理和应用，如检测电池缺陷、分析材料结构与性能关系等，展现了该技术对电池研究的重要价值。

随着硬件和光源亮度提升，飞扫等技术将进一步提高成像效率，相干衍射谱学成像等技术或拓展应用场景，助力新型电池材料研发与性能优化。