Хіміки розробили метод рентгенівської томографії фазового складу матеріалу катода літій-іонного акумулятора. За допомогою запропонованого методу можна оцінити механізм іонного транспорту та електрохімічну активність матеріалу, а також простежити за зміною просторового розподілу фаз залежно від ступеня розрядки батареї, пишуть вчені в.
Дані про тривимірний розподіл реагентів і продуктів на кожному етапі протікання хімічної реакції можуть бути корисні при дослідженні механізмів її протікання. Найбільш актуальні такі дані для гетерогенних реакцій, в яких положення одного або декількох реагентів або каталізатора жорстко зафіксовано. Наприклад, за просторовим розподілом речовин на електродах в електрохімічному осередку можна оцінювати її ефективність, стійкість або можливість багаторазової перезарядки.
Група хіміків з США, Південної Кореї, Великобританії та Швеції під керівництвом Девіда Шапіро (David A. Shapiro) з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі розробили метод, за допомогою якого можна вивчати просторовий розподіл реагентів і продуктів електрохімічної реакції на катоді літій-залізо-фосфатного акумулятора на різних етапах протікання реакції. Така батарея заснована на реакції LiFePO4 + 6C ^ Li1-xFePO4 + LiC6 і те, як змінюється розподіл фаз всередині фосфатного катода під час процесів зарядки і розрядки батареї, багато в чому визначає її властивості та ефективність.
Для аналізу розподілу літію в катоді фосфатної літій-іонної батареї вчені спочатку виділили з нього окремі пласкі наночастинки змішаного фосфату літію і заліза LiFePO4 розміром приблизно 100 ст.1 80 20 нанометрів, які потім за допомогою одноелектродного літієвого осередку були розряджені на 50 відсотків. Після цього отримані частинки проаналізували за допомогою рентгенівської птахографічної томографії, яка дозволяє отримувати зображення з просторовою роздільною здатністю, що перевершує розмір фокальної плями. У цій реалізації методу дозвіл склав 11 нанометрів.
За допомогою аналізу просторового розподілу інтенсивності двох піків поглинання рентгенівського випромінювання, характерного для двовалентного і трьохвалентного заліза, відповідно, вчені побудували тривимірні карти, в яких виділили три області: з фазою двовалентного заліза (LiFePO4), з фазою трьохвалентного заліза (FePO4) і області зі змішаним складом.
Такі карти вчені склали як для великих агрегатів, так і для окремих частинок. У результаті хімікам вдалося показати, що близько 30 відсотків усіх частинок беруть активну участь у літій-іонному обміні і розряджаються при роботі батареї. Розподіл же іонів літію всередині окремих частинок був неупорядкованим, і утворення складних доменних структур підтвердило деякі з термодинамічних моделей, що пропонувалися раніше для опису процесу.
Автори роботи зазначають, що запропонований ними метод просторового аналізу фазового складу за допомогою рентгенівської птахографічної томографії з нанометровою роздільною здатністю можна надалі використовувати не тільки для аналізу іонного транспорту та електрохімічної активності матеріалів, а й для аналізу інших гетерогенних реакцій. Однак основний недолік методу полягає в тому, що зараз його можна проводити тільки, зупинивши реакцію і зафіксувавши один конкретний стан.
Оскільки далеко не всі реакції можна зупинити в потрібний момент часу, просто переставши подавати напругу на електроди, то часто крім просторового розподілу фазового складу необхідно прямо по ходу реакції стежити за його зміною з плином часу. При цьому для цього не обов'язково досліджувати хімічний склад: у деяких випадках ці дані можна отримати з оптичних властивостей. Для реакцій розчинення іноді достатньо просто спостерігати за зміною рельєфу кристала. А за зміною структури окремих молекул в ході хімічної реакції на атомарному рівні можна стежити за допомогою атомно-силової мікроскопії.