在全球对可持续能源解决方案的需求日益迫切的今天，高性能电池和超级电容器等储能技术已成为推动能源革命的核心。然而，要实现能量密度、循环寿命和安全性的突破性进展，关键在于深入理解并精准调控这些设备在微观尺度下的复杂电化学过程 。同步辐射（Synchrotron Radiation, SR）作为一种极其强大的先进表征工具，正以前所未有的清晰度揭示储能设备内部的奥秘，为下一代电池和超级电容器的理性设计提供着关键指引。
同步辐射光源本质上是一个能够产生高强度、高亮度、宽能谱范围电磁辐射的大型科学装置 。当电子以接近光速的速度在存储环中运动，并在磁场作用下改变方向时，会沿着轨道切线方向辐射出强大的电磁波 。这种辐射光具有极高的亮度（比常规X射线管高出数亿倍）、优异的准直性和能量可调谐性 使其成为一个功能强大的“超级显微镜”，能够实时、无损地探测材料在原子和分子水平上的结构、化学状态及动态演变过程 。
解码电池内部世界：同步辐射的原位洞察
传统电池研究往往依赖于非原位（ex-situ）表征，即在电池循环前后将其拆解分析，这种方法无法捕捉到工作状态下瞬息万变的动态过程，从而丢失了关键信息。同步辐射技术的最大优势在于其能够实现原位（in-situ）和工作（operando）条件下的实时监测，让研究人员得以“亲眼目睹”电池内部的真实反应 。
在备受瞩目的全固态电池（All-Solid-State Batteries, ASSBs）研发中，同步辐射正发挥着不可替代的作用。全固态电池因其有望提供更高的能量密度、更长的循环寿命和卓越的安全性而备受期待 。然而，其核心挑战在于固-固界面的稳定性和离子传输效率 。利用同步辐射X射线技术，研究人员可以直接观察电极与固态电解质界面在充放电循环中的结构演化、化学副反应以及锂枝晶的形成与生长过程 。例如：
- 同步辐射断层成像（SR-CT / u-CT） ：该技术能够以微米级分辨率对电池进行三维无损成像，直观地观察电极材料的微观结构变化，如碱性电池中锌颗粒在放电过程中的溶解和形态演变，或固态电池中电极的开裂与界面分离 。这些信息对于理解电池容量衰减和寿命终止的机制至关重要。
- 同步辐射X射线吸收谱（SR-XAS） ：此技术对特定元素的化学价态和局部配位环境极为敏感 。通过原位XAS，可以实时追踪电极材料中活性元素在充放电过程中的价态变化，从而揭示电化学反应的真实路径和动力学信息，并分析界面处形成的异质物相 。
- 同步辐射X射线衍射（SR-XRD） ：XRD能够精确解析材料的晶体结构。利用原位XRD，研究人员可以实时监测电极材料在锂离子嵌入和脱出过程中的相变、晶格参数变化以及结构退化，从而建立材料结构稳定性与电池电化学性能之间的直接关联 。
通过这些原位洞察，科学家能够精准识别导致电池性能衰退的根本原因，进而指导材料的改性、界面的优化以及新型电极/电解质的设计，最终目标是开发出性能更优越、寿命更长久的储能设备 。
揭示超级电容器的储能奥秘
超级电容器以其超高的功率密度、极快的充放电速率和长达数十万次的循环寿命而著称 。其储能机制主要分为两种：基于离子在电极表面物理吸附的双电层电容（EDLC）和基于电极材料表面快速可逆的法拉第反应的赝电容（Pseudocapacitance）。同步辐射技术为深入区分和理解这两种机制提供了强有力的工具，有助于设计兼具高能量密度和高功率密度的电极材料 。
- 原位X射线吸收谱（In-situ XAS） ：在赝电容材料研究中，XAS能够直接探测活性元素在电化学过程中的价态变化，这是赝电容行为的直接证据 。例如，通过监测氢氧化钴电极中钴（Co）元素价态的实时变化，可以清晰地揭示其原子尺度的电荷储存机理，为优化材料的储能潜力提供依据 。
DOI: 10.1038/ncomms15194
- 原位X射线衍射（In-situ XRD） ：对于一些赝电容材料，离子的嵌入/脱出会引起其晶体结构的微小变化。原位XRD可以捕捉到这些细微的晶格常数或层间距变化，从而揭示离子存储的动力学过程和结构可逆性 。
- 原位小角X射线散射（In-situ SAXS） ：超级电容器电极通常是具有复杂纳米孔道结构的多孔材料。SAXS技术特别擅长表征这些纳米尺度的结构信息 。通过原位SAXS，可以实时监测电解质离子在纳米孔道内的填充、分布和运动情况，以及电极/电解质界面的双电层动态变化，这对于理解和优化器件的倍率性能至关重要 。
借助同步辐射提供的这些精细信息，研究人员能够从根源上理解电荷存储机制，并据此指导高性能电极材料的合成，例如通过调控孔径分布、优化表面官能团、设计新型复合材料等方式，推动超级电容器能量密度的进一步提升 。
总之，同步辐射为我们打开了一扇观察能源存储器件内部微观世界的窗口。通过直接“看清”并理解其中的复杂物理化学过程，科研人员正加速推动着下一代电池和超级电容器的创新与发展，为构建一个更清洁、更可持续的能源未来奠定坚实的科学基础。
【高端测试 找华算】
华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！
🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
👉立即预约，抢占发表先机！
